Факторы, ограничивающие пороговую мощность в иттербиевых конусных волоконных усилителях Текст научной статьи по специальности «Физика»

а ь лазерная физика и волоконная оптика

-ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-

Факторы, ограничивающие пороговую мощность в иттербиевых конусных волоконных усилителях

Михайлов Е.К., Бобков К.К., Алешкина С.С.

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова, Москва

Е-mail: egor.mikhailov@gmail.com

DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-38-40

Распространенным средством микроструктурной обработки материалов являются волоконные усилители пикоскундных импульсов на основе световодов, легированных иттербием, с высокими значениями пиковой и средней мощностей. При увеличении мощности в волоконных усилителях развиваются нелинейные эффекты (НЭ), что препятствует масштабированию пиковой и средней мощностей. Применение световодов-конусов (СК), с изменяющимся по длине диаметром — многообещающий способ увеличения порога НЭ. С их помощью были одновременно достигнуты МВт пиковой и сотни Вт средней мощностей [1]. Также, в сравнении с альтернативами, СК малозатратны в производстве, совместимы со стандартными волоконными световодами и имеют низкие изгибные потери. Подобные преимущества позволяют создать дешевую и компактную усилительную систему на основе СК. Особенностью таких систем является то, что наиболее эффективно они работают в области 1064 нм, так как в ней порог НЭ больше, чем в области 1030 нм.

В данной работе мы рассматривали поведение НЭ при увеличении пиковой мощности выходного сигнала. У исследованного СК диаметры сердцевины в тонком и толстом концах составляли 8 и 40 мкм соответственно. Длина СК составляла 1,7 м. В качестве накачки использовался лазерный диод мощностью до 100 Вт с длиной волны 975,0±0,5 нм. Накачка вводилась через толстый конец СК навстречу сигналу. Для разделения входящей накачки и выходящего сигнала использовалось дихроичное зеркало.

При измерениях на 1064 нм использовался источник импульсов длительностью 8,9 пс с перестраиваемой частотой. Средняя мощность сигнала составляла 50 мВт. Импульсы с частотой следования 9,2 и 0,92 МГц усиливались до пиковой мощности 600 кВт. Средняя

ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ

МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

Ж -прохогоескиЕ недели-

24-26 октября 2023 г.

мощность составила 49 и 5 Вт, соответственно. Качество пучка было близко к дифракционно ограниченному (М2 < 1,2). В первом случае значительно развивалось четырехволновое смешение (ЧВС), что можно наблюдать на рис. 1 по пикам люминесценции на 860 и 1400 нм (первый пик едва различим из-за использования дихроичного зеркала, но во время эксперимента наблюдалось интенсивное красное излучение, являющееся краем этого пика). При этом вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) было крайне мало (< 0,1 %). Однако при частоте импульсов 0,92 МГц значительно преобладало ВКР (~ 8,4 %), при почти полном отсутствии признаков ЧВС. Таким образом мы видим зависимость порогов НЭ от средней мощности излучения сигнала. Причины подобной зависимости и динамики развития ВКР и ЧВС обсуждаются.

1000 1100 1200 1300 Длина волны, нм Рис. 1. Спектры источника импульсов на 1064 нм и усиленного сигнала с частотой 9,2 и 0,92 МГц

Также было проведено измерение в диапазоне 1030 нм. Для этого использовался сигнал источника импульсов длительностью 5,2 пс, который имел частоту 13,6 МГц и среднюю мощность 50 мВт. Предельная пиковая мощность составила 430 кВт, средняя — 32 Вт. Пучок также имел высокое качество (М2 ~ 1,2). Последующее увеличение мощности было ограничено началом развития ЧВС. ВКР

ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ

МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

Ж -прохороескиЕ недели-

лазерная физика и волоконная оптика

составляло менее нескольких процентов. Насколько нам известно, мы получили рекордную пиковую мощность для конусных волоконных усилителей в спектральном диапазоне 1030 нм. Ранее, в работе [2] была получена пиковая мощность 375 кВт с меньшей средней мощностью (16 Вт) и худшим качеством пучка (М2 > 1,5). В приведенной работе ограничивающим фактором послужило ВКР. Мы полагаем, что более низкий порог ВКР при работе на 1030 нм может быть вызван наличием фотонов люминесценции в спектральной области генерации первого стоксова пика.

1ССС 11СС 12СС 1300

Длина волны нм Рис. 2. Спектры источника импульсов на 1030 нм и усиленного сигнала.

Авторы выражают благодарность научному руководителю к.ф.-м.н. Лихачеву М.Е. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.

1. Bobkov К., Levchenko A., Kashaykina Т., et а1. Opt. Express. 2021. 29. 1722-1735.

2. Zhu Yu., Leich М., Lorenz М., et а1. Opt. Express 2018. 26. 1703417043.