CC BY
8ВКВ0-2023- СТЕНДОВЫЕ
ИТТЕРБИЕВЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С РАБОЧЕЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 976 НМ
11 2 2 3
Химич С.Г. *, Абрамов А.Н. , Медведков О.И. , Рыбалтовский А.А. , Попов С.М. , Ряховский Д.В. , Чаморовский Ю.К. , Липатов Д.С.
1 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгоро 2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова,
г. Москва
3 Фрязинский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино *E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-369-370
Разработка узкополосных волоконных лазеров, генерирующих излучение в области 0,98 мкм, представляет большой интерес для решения ряда важных задач. Высокая потребность в таких лазерах наблюдается из области медицинских применений (микрохирургия, стоматология, дерматология), поскольку длина волны 976 нм попадает в пик поглощения воды и цельной крови. Другим практически важным аспектом является преобразование линейно поляризованного одночастотного лазерного излучения 976 нм в видимую и УФ часть спектра. Удвоение частоты излучения (488 нм) позволяет предложить альтернативу лазеру на аргоне (медицина), а получение четвертой гармоники (244 нм) крайне востребовано для записи волоконных брэгговских решеток (ВБР), лежащих в основе большого количества полностью волоконных лазерных схем. Экспериментальная демонстрация данного подхода была выполнена лишь для нескольких узкополосных лазерных источников, отличающихся наличием в схеме большого числа объемных элементов.
В отличие от газовых и твердотельных лазеров, полностью волоконная конструкция лазера характеризуется меньшей ценой, компактностью, надежностью и простотой эксплуатации. Одним из вариантов решения задачи создания волоконных источников на 0,98 мкм могут стать лазеры новой конструкции со "случайным" резонатором, образованным массивом из одинаковых слабо-отражающих ВБР. Данная схема открывает широкие возможности для получения узкополосной лазерной генерации практически во всём спектре усиления световода при достаточном уровне коэффициента отражения массива ВБР и малой величине оптических потерь. Успех создания эффективных "случайных" лазеров зависит, прежде всего, от ключевого элемента конструкции -активного волоконного световода.
В работе представлены результаты разработки узкополосного волоконного лазера на 976 нм со "случайным" резонатором, созданного на базе разработанного иттербиевого световода с германофосфоросиликатной сердцевиной (Yb-GPS), легированной 3 мол% GeO2, 4 мол% P2O5 и менее 0,1 мол% Yb2O3. Ионы Yb3+ в кварцевом стекле имеют интенсивную полосу люминесценции с пиком на длине волны 976 нм. По этой причине иттербий был выбран в качестве активной добавки. С целью подавления кластеризации ионов Yb3+ сердцевина дополнительно легировалась P2O5, а добавка GeO2 вводилась для придания стеклу высокой фоточувствительности, необходимой для записи массива ВБР. Внешний диаметр одномодового (0,89 мкм) Yb-GPS световода составил 125 мкм, разность показателей преломления сердцевина-оболочка An ~ 0.007, интенсивность полос поглощения ионов Yb3+ на длинах волн накачки (908 нм) и генерации лазера (976 нм) составила 3.7 и 22 дБ/м, соответственно. Величина минимальных оптических потерь в световоде не превысила 1 дБ/км, что свидетельствует о высокой чистоте и гомогенности синтезированного стекла. В процессе вытяжки световода осуществлялась потоковая запись массива ВБР с помощью излучения эксимерного KrF лазера (248 нм) и фазовой маски [1]. Были изготовлены образцы резонаторов с начальной длиной 8 метров, каждый из которых был равномерно заполнен слабо-отражающими ВБР с длиной 10 мм.
Впервые продемонстрирована возможность получения эффективной лазерной генерации узкополосного излучения на длине волны 976 нм в случайном резонаторе (рис. 1). Порог лазерной генерации был зарегистрирован при мощности введенной накачки 30 мВт (кривая 1). Положение максимума интенсивности (975.95 нм) не изменялось с увеличением мощности накачки (кривая 2), что свидетельствует об отсутствии заметного нагрева резонатора. Дифференциальная эффективность преобразования накачки в лазерное излучение составила 33%. Максимальная выходная мощность лазера достигла 25 мВт, что сопоставимо с коммерческими полупроводниковыми одночастотными лазерами, генерирующими в области ~975 нм. Была исследована зависимость выходной мощности лазера от длины резонатора (рис. 2). Как видно, снижение выходной мощности происходило только при сокращении длины резонатора до 5 метров и более. Таким образом, было установлено, что начальная длина резонатора (8 метров) является избыточной.
ВКВО-202 3 СТЕНДОВЫЕ
| -10 Е
-50975 0
2 0
03
5 18
т
;;
3!
: г
и
з; 1 2
Ф
Й 1.0
■в О.в
а>
тс
£ 0-4
о 02
0.0
675 5 476.0 976 5
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектр излучения «случайного» лазера при различных значения мощности накачки: «1»-30 мВт, «2» - 70 мВт (а)
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Э.5 -1.0 4.5 5.0 5.5 0.0 6.5 7.0 7.5 8.0
Длина резонатора, м
Рис. 2. Зависимость выходной мощности лазера, измеренной при постоянной мощности накачки (40 мВт), от длины резонатора
Уменьшение длины резонатора выявило тенденцию к повышению стабильности значений генерируемой мощности: стандартное отклонение выходной мощности стало вдвое меньшим (с 0.25 до 0.1 мВт) при сокращении длины с 6 до 1.8 метра. Отметим, что лазер генерировал излучение в непрерывном режиме, периодические колебания интенсивности не регистрировались. Стабильность узкополосного лазера является его приоритетной характеристикой как источника эталонного сигнала, поэтому целесообразно было сделать выбор в сторону минимальной длины резонатора. Однако в этом случае существенно снижается эффективность лазера и возрастает порог генерации. Для преодоления данных ограничений выходной конец короткого резонатора (1,8 метра) был состыкован с одиночной глубокой ВБР (~90%), пик отражения которой в точности совпадал по длине волны с максимумом отражения массива ВБР. Благодаря этой решетке выходящее из резонатора излучение 976 нм возвращалось обратно и снова в нем усиливалось, что сделало работу резонатора гораздо более эффективной. Так, его дифференциальняая эффективность выросла вдвое, с 7 до 15 % (рис. 3а), и также вдвое повысилась стабильность - амплитуда флуктуаций выходной мощности снизилась с начальных 10 до 5 % (рис. 3б).
ш 2
4,0
20 40 60 ВО
Введённая мощность накачки. мВт
(а)
3
2 3,6
3 о 2
и/щрл-
ш ш
400 Время, с (б)
Рис. 3. Зависимость выходной мощности лазера от мощности накачки (а) и времени (Ь) для «случайного» резонатора длиной 1,8 м (1) и того же резонатора, дополненного 90%-й одиночной ВБР (2)
В настоящее время ведутся исследования по дальнейшей оптимизации резонатора и усилению генерируемого им опорного излучения с длиной волны 976 нм до практически значимого уровня мощности - не менее 1 Вт. Полученные результаты будут представлены на конференции. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00511.
Литература
1. Попов С.М., Бутов О.В., Колосовский А.О., Волошин В.В., Воробьёв И.Л., Исаев В.А., Ряховский Д.В., Вяткин М.Ю., Рыбалтовский А.А., Фотиади А.А., Ся Ли, Ван Чжоин, Липатов Д.С., Чаморовский Ю.К. "Оптические волокна с массивом волоконных брэгговских решеток для сенсорных систем и случайных лазеров " // Квантовая электроника, V. 51(12), с. 1101-1106 (2021)
