Эрбиевые световоды с накачкой по оболочке с сердцевиной из алюмосиликатного стекла, высоколегированного фтором Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2019 Стендовые

ЭРБИЕВЫЕ СВЕТОВОДЫ С НАКАЧКОЙ ПО ОБОЛОЧКЕ С СЕРДЦЕВИНОЙ ИЗ АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СТЕКЛА, ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОГО ФТОРОМ

Худяков М.М.1, Яшков М.В.2, Липатов Д.С.2, Вечканов Н.Н.2, Абрамов А.Н.2,

Гурьянов А.Н.2, Лихачев М.Е.1*

1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва 2 Институт химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород

* E-mail: [email protected]

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16213

Эрбиевые (не содержащие иттербий) световоды с накачкой по оболочке являются наиболее перспективным инструментом для усиления импульсного излучения до высокой пиковой мощности. Использование усилителей на основе таких световодов позволило нам ранее продемонстрировать рекордно высокую энергии в импульсе и пиковую мощность для спектрального диапазона 1.55 мкм [1, 2]. Основной проблемой при использовании эрбиевых световодов, не содержащих иттербий, является низкая скорость поглощения излучения накачки из оболочки и рост влияния кластеризации при увеличении длины световодов. Для решения этой проблемы при конструировании необходимо обеспечить максимально возможное отношение диаметра сердцевины к оболочке. Так в работах [1, 2] диаметр одномодовой сердцевины был увеличен до 35 мкм, а диаметр первой отражающей оболочки равнялся 125 мкм (минимальный диаметр совместимый с коммерчески доступными объединителями накачки и сигнала). Использование алюмофосфоросиликатного стекла (АФС) [3] позволило нам обеспечить приемлемую эффективность преобразования накачки в сигнал даже при высокой концентрации ионов эрбия. Одномодовый режим распространения, высокая эффективность преобразования накачки в сигнал (около 25%) и относительно небольшая длина световода (около 6 м) при усилении сигнала в области 1575 нм были достигнуты благодаря проведенной оптимизации геометрии световода и состава сердцевины [1].

Стоит отметить, что дальнейшее увеличение эффективности преобразования накачки в сигнал в эрбиевых световодах можно достичь, используя алюмосиликатную матрицу с высоким содержанием оксида алюминия (более 3 мол.%) [3, 4]. В то же время использованию такого стекла для создания одномодовых эрбиевых световодов с накачкой по оболочке мешает высокая рефрактивность оксида алюминия. Так разность показателей преломления сердцевины, легированной 3 мол.% AhO3 и оболочки из нелегированного кварцевого стекла превышает 0.007, что приводит к существенно многомодовому режиму распространения излучения при диаметре сердцевины 35 мкм. Недавно нами была разработана технология высокого фторирования алюмосиликатного стекла, что позволяет уменьшить показатель преломления сердцевины, легированной 3 мол.% AhO3 вплоть до уровня кварцевого стекла [5]. Целью настоящей работы являлось создание одномодовых эрбиевых световодов с накачкой по оболочке на основе фторалюмосиликатной матрицы с высоким уровнем фторирования для исследования возможности увеличения эффективности преобразования накачки в сигнал по сравнению с созданными ранее световодами на основе АФС матрицы [1].

В рамках настоящего исследования методом модифицированного осаждения из газовой фазы (MCVD) была создана серия заготовок с сердцевиной, легированной ~3 мол.% AhO3 и ~1.4 вес.% фтора и различным содержанием эрбия в сердцевине. Разность показателей преломления сердцевины и оболочки выбиралась такой, чтобы обеспечить близкий к одномодовому режим работы световода при диаметре сердцевины около 35 мкм (дополнительно вокруг сердцевины создавался слой с пониженным показателем преломления для уменьшения длины волны отсечки и снижения чувствительности к изгибам). Внешняя поверхность заготовок была сполирована до формы квадрата для того, что бы обеспечить максимальное перемешивание накачки, распространяющейся в оболочке световода. Из заготовок были вытянуты световоды с диаметром сердцевины около 35 мкм и средним диаметром оболочки около 125 мкм. Характеристики созданных световодов сравнивались с характеристиками световода на основе АФС матрицы легированной ~0.14 мол.% Er2O3, (соответствует поглощению из оболочки ~ 3 дБ/м на длине волны 981 нм) [1].

Интересно отметит (см. рис.1), что дополнительным преимуществом использования алюмосиликатной матрицы оказалось то, что полоса поглощения ионов эрбия в области 980 нм имеет приблизительно в 1.3 раза большую интенсивность по сравнению с АФС световодами при условии одинакового содержания эрбия в сердцевине (интенсивность полосы поглощения в области 1530 нм была равна в обоих случаях 100 дБ/м). Более того максимум полосы расположен на длине волны

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 405

ВКВО-2019- Стендовые

976 нм (в отличие от АФС световодов, имеющих максимум поглощения на длине волны 981 нм), что обеспечивает наиболее оптимальные условия при использовании стандартных диодов накачки со стабилизацией длины волны (стандартная длина волны при стабилизации - 976 нм).

Для сравнения с АФС световодом было изготовлено два световода с сердцевиной на основе алюмосиликатной матрицы с высоким уровнем легирования фтором: световод #1 имел максимальное поглощение из оболочки (на длине волны 976 нм) около 3 дБ/м, что совпадало с этой величиной в АФС световоде, выбранном для сравнения; световод #2 имел более высокую концентрацию эрбия в сердцевине приблизительно равную концентрации в АФС световоде, при этом поглощение на длине волны 976 нм составляло около 3.8 дБ/м. Все световоды сравнивались в схеме усилителя с сонаправленной накачкой по оболочке. В качестве источников накачки использовались многомодовые полупроводниковые диоды стабилизированные по длине волны (976 нм). Мощность входного сигнала (длина волны 1590 нм) равнялась 0.5 В. В процессе измерения брались разные длины каждого световода, для каждой длины измерялась зависимость выходного сигнала от мощности накачки и определялась дифференциальная эффективность преобразования накачки в сигнал. Полученные зависимости эффективности от длины показаны на Рис.1б. Как можно видеть световод #1 обладал заметно большей эффективностью преобразования накачки в сигнал по сравнению с АФС световодом. В случае световода #2, дифференциальная эффективность оказалась практически такой же как в АФС световоде, но зато оптимальная длина (соответствующая максимальной эффективности) оказалась заметно короче, что крайне важно при усилении импульсов до высокой пиковой мощности.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 17-13-01343.

Р О -AI О -SiO

2 5 2 3 2

950 1000

длина волны, нм

5 -s

CD о^ I

-О -О

п

а> cd if-

I m

25

20

15

10

о F-AI203-Si02(#1) a F-ALO-SiO, (#2)

5 10

длина световода, м

Ег:Оз; б - зависимость дифференциальной эффективности от длины измеренная для световодов

разного состава

II. и3

Литература

1. Kotov L., et al, Opt. Lett. 40, 1189 (2015)

2. Kotov L.V., et al, Laser Physics Letters, 11(9), 095102 (2014)

3. Likhachev M.E., Opt. Lett. 34, 3355 (2009)

4. Kotov L.V., et. al., Journal of Lightwave Technology, 35(20), 4540-4546 (2017)

5. YashkovM.V., Quantum Electronics, 47(12), 1099 (2017)

406 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.ru

[email protected]