CC BY
9ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ
КАСКАДНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА ОТ ВИДИМОГО ДО СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА В КВАРЦЕВОМ И ГЕРМАНАТНОМ ВОЛОКНАХ
11 2 Коптев М.Ю. * Запрялов А.Е. , Косолапов А.Ф. ,
Денисов А.Н' , Семенов С.Л. , Муравьев С.В. ' Ким А.В.
1 Институт прикладной физики им. А.В.Гапонова-Грехова РАН, г. Нижний Новгород 2Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова РАН,
г. Москва
* E-mail: max-koptev@ya.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-205-206
Источники когерентного суперконтинуума находят широкое применение в спектроскопии, флуоресцентной микроскопии [1], оптических коммуникациях и исследовании новых оптических материалов[2]. Особый интерес с точки зрения приложений представляет средний ИК-диапазон, в котором расположены колебательно-вращательные линии поглощения многих молекул [3]. Однако, большинство волоконных источников длинноволнового суперконтинуума используют в качестве источника накачки волоконные лазеры полутора (эрбиевые) и двухмикронного (тулиевые) диапазона [4,5]. Такие лазеры, в сравнении с иттербиевыми, сложнее в изготовлении, обладают меньшей эффективностью, а также не позволяют эффективно генерировать суперконтинуум в видимом диапазоне.
Нами предложена каскадная схема генерации суперконтинуума, стартующая с хорошо отработанной иттербиевой фемтосекундной лазерной системы, генерирующей импульсы длительностью 300 фс. на длине волны 1065 нм (рис. 1). Система состоит из задающего генератора, который представляет из себя иттербиевый фемтосекундный лазер с пассивной синхронизацией мод, волоконного стретчера, иттербиевого волоконного предусилителя и оконечного усилителя, выполненного на конусном иттербиевом световоде.
з.г.
Волоконный
Yb>—CMD—
IR OSA
VIS OSA
Решеточный компрессор
ФКС световод
Германатный световод
Рис. 1. Схема экспериментальной установки по генерации широкополосного суперконтинуума
Конусный активный световод имеет диаметр сердцевины на входе 10 мкм, а на выходе - 50 мкм. Длина конусного усилителя составила 1.7 метра, а его накачка осуществлялась во встречном направлении при помощи многомодового лазерного диода. На выходе оконечного усилителя импульсы сжимались при помощи дисперсионного компрессора до длительности 300 фс., при этом эффективность сжатия составила 70%. Частота следования импульсов не понижалась и составила 29.7 МГц, что соответствует фундаментальной частоте повторения задающего генератора. Максимальная мощность, при которой не наблюдалось какого-либо изменения формы импульса, составила 4 Вт, что соответствует энергии сжатого импульса 0.3 мкДж.
Сжатые импульсы на выходе компрессора сначала заводились в отрезок кварцевого фотонно-кристаллического световода длиной 3 метра со специально подобранным профилем дисперсии групповых скоростей (ДГС) и диаметром сердцевины 4 мкм. Длина волны нулевой ДГС данного световода составила 945 нм, таким образом накачка его осуществлялась в области аномальной дисперсии. Ввод излучения осуществлялся при помощи асферической линзы с фокусным расстоянием 11 мм, эффективность ввода составила 50%. На выходе световода наблюдался широкополосный суперконтинуум в диапазоне 450-2200 нм., ограниченный по длине волны поглощением в кварцевом стекле. Для перестройки в более длинноволновую область выход фотонно-кристаллического
ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ
световода был сварен с конусным германатным световодом, сердцевина которого содержала 97 мол.% оксида германия, а оболочка была выполнена из кварцевого стекла. Световод имел длину 1.8 метра, а диаметр сердцевины плавно уменьшался от 6 до 3 мкм. Волокна такого типа ранее уже использовались нами для генерации суперконтинуума и отличаются крайне малой энергией импульса, необходимой для эффективного преобразования длин волн [2].
Длина волны, нм. Длина волны, нм.
(а) (б)
Рис.2. Спектры суперконтинуума на выходе германатного волокна: (а) в видимом, (б) в инфракрасном диапазоне длин волн в зависимости от энергии импульсов на входе
Анализ спектра осуществлялся CCD спектроанализатором Avantes AvaSpec-Mini 4096CL в видимой области и ИК фурье спектрометром Thorlabs OSA207C в инфракрасном диапазоне. На выходе германатного волокна был получен широкополосный суперконтинуум в диапазоне 4502950 нм. (рис. 2.) при энергии импульсов на входе в фотонно-кристаллический световод 80 нДж. Энергия импульсов суперконтинуума на выходе составила 12.5 нДж, что соответствовало средней мощности 370 мВт. При больших энергиях импульса на входе наблюдался оптический пробой торца фотонно-кристаллического световода, связанный с высокой плотностью мощности на его поверхности.
Стоит отметить, что используемая нами система накачки имеет существенный запас по пиковой мощности и не является оптимальной с точки зрения эффективности преобразования излучения. Дальнейшая оптимизация накачки (в том числе и переход к пикосекундным импульсам) может увеличить КПД преобразования, а также среднюю мощность на выходе каскада из кварцевого и германатного волокон.
Поддержано НЦМУ «Центр фотоники», при финансировании Министерством науки и высшего образования РФ, соглашение № 075-15-2022-316 от 22.04.2022 г.
Литература
1. Haohua Tu and Stephen A.Boppart, Laser Photonics Rev. 7, No. 5, 628-645 (2013)
2. S.V.Muraviev et.al., Applied Optics, Vol. 61, No. 32 (2022)
3. I.T.Sorokina, in Mid-Infrared Coherent Sources and Applications, Springer, pp. 225-260, (2008)
4. Kamynin V.A. et.al., Laser Phys. Lett. 9(3), 219-222 (2012)
5. Anashkina E.A. et.al., Opt. Lett. 39(10), 2963-2966 (2014)
