CC BY
14DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-132-133
ДЛИННОВОЛНОВЫЙ ТУЛИЕВЫЙ САМОСКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР ДЛЯ ЗАДАЧ СПЕКТРОСКОПИИ ДИОКСИДА
УГЛЕРОДА
*
Бударных А.Е. , Лобач И.А., Каблуков С.И.
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск E-mail: budarnykh@iae.nsk.su
Перестраиваемые источники лазерного излучения в области более 2 мкм представляют особый интерес для задачи спектроскопии поглощения и удалённой диагностики [1]. Это связано с тем, что линии поглощения некоторых парниковых газов, например СО2, имеют сильные пики в этом спектральном диапазоне. Одним из простейших типов перестраиваемых лазерных источников являются самосканирующие лазеры. Эффект самоиндуцированного сканирования частоты, или самосканирования, проявляется в периодической динамике частоты лазерного излучения во времени. В связи с этим, самосканирующие лазеры не требуют дополнительных перестроечных элементов, таких как дифракционные решетки и электрические драйверы, и обеспечивают перестройку лазерного излучения в большом диапазоне [2]. До недавнего времени эффект самосканирования в области более 2 мкм было представлен только лазерами, на основе гольмиевых активных волокон [3,4]. Однако область перестройки вблизи 2100 нм, представленная в данных работах, не покрывает сильных пиков поглощения CO2. Для решения этой проблемы, в данной работе предлагается использовать длинноволновый волоконный самосканирующий лазер на основе тулиевого высоколегированного активного волокна с двойной оболочкой. Как было показано ранее, тулиевые самосканирующие лазеры обладают уникальными спектральными характеристиками, такими как возможность одночастотного сканирования, разнообразная спектральная динамика [5]. Самосканирование в новой спектральной области ~ 2020 нм делает применение подобных источников привлекательным инструментом для задач газовой спектроскопии.
Рис. 4. Схема волоконного лазера на основе тулиевого высоколегированного волокна с двойной оболочкой;
LD - laser diode, лазерный диод; PC - pump combiner, объединитель накачки
На Рис.1 представлена схема длинноволнового волоконного тулиевого лазера. Все оптические элементы схемы выполнены на основе пассивного волокна с сохранением поляризации (PM, Polarization-Maintaining). Отрезок тулиевого высоколегированного волокна с двойной оболочки марки IXF 2CF Tm PM 10-130 длиной 4 м использовался в качестве активный среды. Поглощение волокна в сердцевине и оболочке на длине волны 790 нм составляло 1250 дБ м-1 и 8 дБ м-1 соответственно. В качестве лазера накачки использовались 2 лазерных диода с длиной волны генерации 804 нм и суммарной максимальной выходной мощностью 6.4 Вт. Также в эксперименте использовался другой лазерный диод на длине волны 793 нм и максимальной выходной мощностью 6.3 Вт. Излучение накачки заводилось в оболочку активного волокна при помощи объединителя накачки. Резонатор был образован плотным кольцевым зеркалом с коэффициентом отражение Ri=99% с одной стороны, и концом оптического волокна, сколотого под прямым углом, с коэффициентом отражения Френеля R2 =4% с другой стороны. Для фильтрации выходного излучения от накачки к активному волокну был приварен 10 см отрезок пассивного волокна с одинарной оболочкой. Для анализа характеристик лазера использовался оптический сигнал из 5% порта волоконного разветвителя, установленного в резонатор. Для измерения спектральных параметров лазера использовались измеритель длин волн HighFinesse WS5 и анализатор оптического спектра Thorlabs OSA 203B. Временная динамика
132
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
измерялась при помощи фотодетектора Thoriabs DET10DM и цифрового осциллографа LeCroy, WavePro 725Zi-A. Для измерения выходной мощности использовался термопарный измеритель мощности.
В результате выходная мощность лазера составляла более 0.6 Вт. При различных конфигурациях лазера накачки было получено самосканирование в области от 2007 до 2036 нм, чего ранее не демонстрировалось в тулиевых самосканирующих лазерах. Диапазон сканирования при этом достигал 18 нм. Наблюдались три режима самосканирования: прямое сканирование, с периодическим увеличением длины волны, обратное сканирование, с периодическим уменьшением длины волны, и остановка сканирования. При использовании накачки на 804 нм были зафиксированы все 3 режима, а при накачке на 793 - только обратное сканирование. Скорость сканирования достигала 2.5 нм/с в случае обратного сканирования и 8 нм/с в случае прямого сканирования.
Динамика интенсивности характеризуется как импульсная. Для обратного сканирование была показана нерегулярная временная динамика и набор частот в радиочастотном спектре. Для прямого сканирования динамика была более регулярной. Наблюдался одночастотный режим.
Рис. 5. Слева: пример спектральной динамики для разных режимов самосканирования, где (а) - обратное сканирование, (б) - остановка сканирования, (в) - прямое сканирование. Справа (г) представлен спектр пропускания диоксида углерода, полученный при помощи базы данных HITRAN
Также был исследован уровень поглощения накачки в активном волокне. Для этого анализировалась проходящая мощность без отрезка пассивного волокна с одинарной оболочкой на выходе. Было установлено, что в выходном излучении присутствует существенная часть накачки, чего не наблюдалось ранее для схем с накачкой в сердцевину на длине волны 1.5 мкм. Для накачки на 793 и 804 нм при мощности 4 Вт непоглощенная доля составляет 0.1 и 0.5 Вт соответственно. Этот факт указывает на то, что влияние динамических решеток поглощения на режимы самосканирования может быть не столь значимым, как это считалось ранее. Эти и другие результаты будут более подробно представлены в докладе.
Работа выполнена при поддержке РФФИ по проекту № 20-32-70058 с использованием оборудования центра коллективного пользования «Спектроскопия высокого разрешения газов и конденсированных сред) ИАиЭ СО РАН, Новосибирск, Российская Федерация.
Литература
1. Scholle K. et al, IntechOpen, Frontiers in guided wave optics and optoelectronics (2010)
2. Budarnykh A. et al, Opt. Lett. 43, 5307-5310 (2018)
3. Aubrecht J. et al, Opt. Express 25, 4120-4125 (2017)
4. Vladimirskaya A. et al, Laser Phys. Lett. 18, 075101 (2021)
5. Budarnykh A., Lobach I., Kablukov S., Laser Phys. Lett. 16, 025108 (2019)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
133
