Научная статья на тему 'Источники излучения на основе высококонцентрированных эрбиевых композитных световодов'

Источники излучения на основе высококонцентрированных эрбиевых композитных световодов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
98
35
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Фотон-экспресс
ВАК
Область наук
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Галаган Б. И., Денкер Б. И., Камынин В. А., Поносова А. А., Сверчков С. Е.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Источники излучения на основе высококонцентрированных эрбиевых композитных световодов»

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ЭРБИЕВЫХ КОМПОЗИТНЫХ СВЕТОВОДОВ

Галаган Б.И.1, Денкер Б.И.1, Камынин В.А.1, Поносова А-А.1'2, Сверчков С.Е.1,

Семенов С.Л.3, Цветков В.Б.1'4

1 Институт общей физики им. А М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва 2Российский квантовый центр, г. Москва 3Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, г. Москва 4Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва * E-mail: nastya-aieksi@maii.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16107

К актуальным задачам волоконной оптики относится увеличение концентрации ионов эрбия в активных световодах для источников излучения 1.53-1.55 мкм. Это обусловлено потенциальной возможностью улучшения мощностных и энергетических параметров излучения за счет увеличения порога нежелательных нелинейных эффектов, характерных для протяженных активных волоконных сред. Использование высококонцентрированных активных световодов должно облегчить создание одночастотных лазеров с высокой средней мощностью [1, 2] и импульсных лазеров с высокой частотой повторения импульсов [3, 4].

Наиболее перспективными материалами для высококонцентрированных эрбиевых световодов (ЭС) являются лазерные фосфатные стекла. В ряде работ продемонстрированы рекордно высокие коэффициенты усиления на единицу длины полностью фосфатных световодов [5-7]. Однако подобные световоды обладают серьезными недостатками, сдерживающими их применение на практике. Оптические и механические свойства фосфатных стекол деградируют со временем под воздействием окружающей среды, и кроме того, полностью фосфатные световоды практически не поддаются сварке с кварцевыми из-за значительной разности физических свойств этих стекол.

Коллективом авторов ИОФ РАН и НЦВО РАН были разработаны композитные световоды с сердцевиной из высококонцентрированного фосфатного стекла и оболочкой из кварцевого стекла. Предполагалось, что композитная конструкция световодов позволит использовать преимущества обоих стёкол и обеспечит одновременно высокое усиление на единицу длины и высокую механическую прочность.

Цель настоящей работы заключалась в исследовании свойств разработанных световодов, легированных 1 вес.% и 3 вес.% Er3+ , и параметров волоконных источников на их основе.

Для сердцевины световодов были использованы лазерные стекла, содержащие 65 мол.% P2O5, 7 мол.% Ai2O3, 12 мол.% B2O3, 9 мол.% Li2O и 7 мол.% окислов редкоземельных ионов x-Er2O3-(7-x)-Gd2O3. В процессе вытяжки световодов состав существенно изменился из-за взаимной диффузии компонентов стёкол сердцевины и оболочки (Рисунок 1). Концентрация P2O5 в сердцевинах световодов снизилась до 20-25 мол.%, а SiO2 увеличилась до 75 мол.%. Аналогичная концентрация P2O5 может быть получена при помощи традиционной технологии изготовления заготовок активных оптических волокон методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD). Тем не менее, концентрации оптически активных и пассивных редкоземельных ионов в сердцевине исследованных световодов, как минимум, на порядок превышают концентрации, достижимые MCVD.

Исследованные оптические, геометрические и спектроскопические свойства изготовленных световодов приведены в Таблице 1.

Благодаря кварцевой оболочке, сварки между композитными и кварцевыми волокнами хорошо воспроизводились при использовании стандартного сварочного аппарата для телекоммуникационных волокон. Потери на сварках составляли от 0.12 дБ до 1.1 дБ.

40

38-

36-

34-

32-

30-

28-

26-

24

14

13

12

10

■7

-2-1012 Радиальная координата сердцевины (мкм)

Рис. 1. Распределение компонентов стекла в поперечном сечении сердцевины волокна (3 вес.% Бг3" , диаметр 100 мкм)

214

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@maii.ru

Таблица 1. Свойства эрбиевых световодов (ЭС) Параметр_ЭС#1 ЭС#2

Концентрация ионов Ег в заготовке, вес.% (см-)

Пик поглощения слабого сигнала @980 нм, дБ/см

Пик поглощения слабого сигнала @1535 нм, дБ/см Пик усиления слабого сигнала @1535 нм, дБ/см Диаметр сердцевины, мкм Числовая апертура ЫЛ Длина волны отсечки, нм

1

3

(1.02-1020) (3.Q6-1Q20)

0.44 1.25

1.4 3.65

1.6 3.10

4.3 3.6

0.265 0.288

1490 1350

Мощность введенного сигнала 15 35 нм —■— 7 дБм 0 дБм —•--10 дБм—>— - 30 дБм

На основе описанных экспериментальных активных световодов реализованы полностью волоконные широкополосные источники излучения, непрерывные волоконные лазеры, усилители и импульсные лазеры.

В однопроходных суперлюминесцентных волоконных источниках (СВИ) со встречной накачкой получено широкополосное излучение. Спектры излучения имели сложную форму с двумя пиками на длинах волн 1535 нм и 1543 нм и шириной на полувысоте порядка 2 нм и 5 нм, соответственно. Максимальная выходная мощность составила ~30 мВт при длине активной среды всего 50 см, тогда как в случае кварцевых эрбиевых световодов для достижения такого уровня мощности требуются десятки метров.

Показано, что в композитных световодах может быть достигнута высокая эффективность лазерной генерации. Выходная мощность непрерывного волоконного лазера на длине волны 1535 нм достигала 105 мВт при длине активного световода, легированного 3 вес.% Er3+ , всего 15 см. Дифференциальная эффективность по отношению к поглощенной мощности накачки с учетом потерь на сварках достигала порядка 38 %. Таким образом, высококонцентрированные световоды перспективны для создания одночастотных лазеров с высокой средней мощностью.

Благодаря уникальному составу сердцевины, получены высокие удельные коэффициенты усиления слабого сигнала - 1.6 дБ/см (1 вес.%) и 3.1 дБ/см (3 вес.%) на длине волны 1535 нм. Эти значения ниже теоретически предсказанных (4.7±0.1 дБ/см для 3 вес. % и 1.80±0.05 дБ/см для 1 вес.%), что обусловлено кооперативными процессами. Тем не менее, экспериментально полученный коэффициент усиления 3.1 дБ/см в световоде, легированном 3 вес.% ионов эрбия, является самым высоким среди волокон с аналогичной конструкцией и близким к значениям усиления полностью фосфатных световодов (от 3 до 5 дБ/см).

Использование композитного световода, легированного 3 вес.% эрбия, длиной не более 19 см в

импульсном волоконном лазере с синхронизацией мод на нелинейном вращении плоскости поляризации позволило получить параметры генерации фемтосекундных импульсов аналогичные тем, что могут быть получены с применением нескольких метров эрбиевых кварцевых световодов.

Таким образом, композитные световоды с сильнолегированной Er3+ фосфатной сердцевиной в кварцевой оболочке наиболее перспективны для создания усилителей слабого сигнала и волоконных лазеров, требующих короткую длину резонатора, а именно для одночастотных лазеров и лазеров с высокой частотой повторения импульсов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Ольге Николаевне Егоровой (НЦВО РАН) за предоставленные световоды и ООО "НЦВО-Фотоника" за волоконные брэгговские решетки. Работа выполнена при частичной поддержке программы президиума РАН № 5 "Фотонные технологии в зондировании неоднородных сред и биообъектов", РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-01010 и РНФ в рамках проекта 17-12-01564. Литература

1. Li L, et al, Appl. Phys. Lett., 85, 2721-3 (2004)

2. Qiu Т., IEEE Photonic Tech. L, 16, 2592-2594 (2004)

3. Ye N.N., et al, Laser Phys, 22, 1247-1251 (2012)

4. Thapa R, et al, Opt. Lett, 39, 1418-1421 (2014)

5. Hwang B.C., et al, IEEE Photonic Tech. L, 13(3), 197-199 (2001)

6. Boetti N.G, et al, J. Opt, 17, 065705 (2015)

7. Xu S. H, et al, Opt. Express, 18, 1249-1254 (2010)

40

35

30

w

д( 25

е

и н 20

е л и 15

10

5

0

100

200 300 400 500

Мощность накачки (мВт)

Рис. 2. Усиление в 10 см отрезке световода, легированного 3вес.% Ег3*

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

215

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.