CC BY
35ЛАЗЕРЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА 2.5 - 5 МКМ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ СВЕТОВОДОВ
С ПОЛОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
*
Гладышев А. В.
Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16118
Создание световодов с полой сердцевиной (СПС) открыло путь к разработке лазеров нового типа - газовых волоконных лазеров (ГВЛ). Такие источники излучения могут сочетать в себе преимущества как волоконных лазеров (компактность, низкий порог генерации, одномодовое излучение), так и газовых лазеров (высокая выходная мощность, малая ширина линии генерации). Благодаря сильной локализации излучения в полой сердцевине некоторых типов СПС, ГВЛ позволяют генерировать излучение даже в тех областях спектра, где оболочка СПС имеет сильное фундаментальное поглощение. В частности, оставаясь в рамках хорошо освоенной технологии кварцевого стекла, ГВЛ способны генерировать в среднем ИК диапазоне, представляющем большой интерес из-за наличия в нем линий поглощения многих химических соединений.
За последние годы был получен целый ряд новых результатов, продемонстрировавших возможность создания в спектральном диапазоне 2.5 + 5 мкм эффективных ГВЛ на основе полых световодов из кварцевого стекла. В данной работе представлен краткий обзор последних достижений в этой области исследований.
Лазер (
—♦
накачки
Л1
Газ
-¿Ьм
лг
IV
СПС
и
Рис. 1. Типичная схема газовых волоконных лазеров. Л1 и Л2 - линзы для ввода и вывода излучения из полой сердцевины световода, заполненной активным газом
Наиболее распространенным подходом при создании газовых волоконных лазеров является применение безрезонаторной однопроходной схемы (рис. 1). Торцы СПС герметично фиксируются в миниатюрных газовых кюветах, которые имеют окошки для ввода/вывода излучения и позволяют закачивать в полую сердцевину различные газы, служащие активной средой лазера. Ключевым фактором, позволившим продвинуться в средний ИК диапазон, является использование СПС с отрицательной кривизной границы сердцевина-оболочка (рис. 2) [1-3], которые позволяют снизить оптические потери в световоде на 3 порядка по сравнению с поглощением кварцевого стекла в этом диапазоне спектра. При этом полый световод обеспечивает малый диаметр поля моды (~ 20 + 70 мкм) и большую длину (~ 1 + 20 м) взаимодействия излучения с активной средой.
Рис. 2. Микрофотографии торцов кварцевых СПС с отрицательной кривизной границы сердцевина-оболочка. а) световод типа Кагоме [1], б) револьверный световод [2] и в) световод с оболочкой в форме
«парашютиков» [3]
ГВЛ на основе инверсии населенностей. Применение в качестве активной среды дипольно-активных молекулярных газов позволяет получать генерацию в среднем ИК диапазоне за счет инверсии населенностей между колебательно-вращательными энергетическими уровнями молекул. В качестве накачки используются лазерные источники ближнего ИК диапазона, обладающие перестройкой по длине волны, которая необходима для точного попадания в узкие (Av ~ 1 ГГц) линии поглощения активного газа. При накачке перестраиваемым излучением параметрических генераторов были продемонстрированы наносекундные ГВЛ на основе таких газов как С2Н2, С02, Ы20 и СО,
236 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
генерирующие на длинах волн 3.1, 4.3, 4.6 и 4.67 мкм, соответственно [1, 4]. Поскольку в таких ГВЛ переход с нижнего лазерного уровня в основное состояние происходит безызлучательно, за счет столкновений молекул газа, то для эффективной и стабильной работы лазера необходимо оптимизировать давление газа. Характерное давление активного газа в ГВЛ лежит в диапазоне
0.001.■ 0.1 атм.
Наибольшее развитие получили ГВЛ на основе ацетилена С2Н2. Для этого газа длина волны накачки (1.53 мкм) попадает в полосу усиления ионов эрбия, что позволило использовать в качестве накачки эрбиевые волоконные лазеры [5]. На сегодняшний день в ГВЛ на основе ацетилена С2Н2 достигнута непрерывная генерация с выходной мощностью 1.1 Вт на длине волны 3.1 мкм [3]. При этом эффективность генерации по отношению к поглощенной мощности накачки составляет 33 %. Кроме того, реализована ступенчатая перестройка длины волны генерации в диапазоне 3.09 - 3.21 мкм с шагом ~4 нм [6]. Нет сомнений, что в скором будущем аналогичный прогресс будет достигнут в ГВЛ на основе CO2, излучающих в области 4.3 мкм и накачиваемых излучением тулиевых волоконных лазеров в области 2 мкм.
Рамановские ГВЛ. Применение в качестве активной среды рамановски-активных газов существенно расширяет доступный диапазон длин волн генерации. Особый интерес представляют легкие молекулярные газы, такие как Н2, D2, CH4, поскольку они обладают большим рамановским сдвигом (4155 см-1, 2987 см-1, 2917 см-1, соответственно), что позволяет создавать однокаскадные рамановские ГВЛ среднего ИК диапазона, источником накачки для которых могут служить импульсные волоконные лазеры, генерирующие в хорошо освоенных спектральных диапазонах около ~1.0, 1.5 и 2.0 мкм. Типичные значения давления газа в рамановских ГВЛ составляют ~10 атм и более.
За последние три года на основе кварцевых револьверных световодов, заполненных изотопами водорода (Н2, D2), продемонстрированы наносекундные рамановские ГВЛ на длинах волн 2.9, 3.3, 3.5 и 4.4 мкм [7, 8]. Квантовая эффективность в первых работах составляла -10^15 %. В результате оптимизации рамановского ГВЛ на основе Н2 квантовая эффективность преобразования 1.56—>4.42 мкм достигла теоретического предела 55 %, обусловленного оптическими потерями (~1 дБ/м) на длине волны генерации [2]. Средняя выходная мощность на длине волны 4.42 мкм составила 1.4 Вт, несмотря на большой квантовый дефект преобразования 1.56—4.42 мкм.
На основе кварцевых СПС, заполненных метаном (CH4), реализованы двухкаскадные рамановские ГВЛ среднего ИК диапазона. При накачке наносекундными импульсами (-0.4 нс) на длине волны 1.06 мкм продемонстрировано рамановское преобразование 1.06—1.54—2.81 мкм с квантовой эффективностью 65 % [9]. Кроме того, показано эффективное преобразование 1.06—1.54—2.81 мкм в пикосекундном режиме (12 пс) [10]. Квантовая эффективность составила 40 %, а пиковая выходная мощность достигала 10 МВт на длине волны 2.81 мкм. Перспективной, но пока еще не решенной задачей остается разработка фемтосекундных рамановских ГВЛ среднего ИК диапазона.
Таким образом, достигнутые за последнее время результаты по лазерной генерации в спектральной области 3^5 мкм, убедительно демонстрируют, что газовые волоконные лазеры могут быть эффективными источниками лазерного излучения среднего ИК диапазона. При этом они имеют большой потенциал для наращивания средней и пиковой выходной мощности. Такие лазеры, несомненно, найдут разнообразные применения в таких областях как биомедицина, газоанализ и обработка материалов.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №19-12-00361.
Литература
1. Nampoothiri A. V. V., et al, Opt. Mater. Express 2, 948-961 (2012)
2. Astapovich M. S, et al, IEEE Photonic. Tech. Lett., 31(1), 78-81 (2019)
3. Xu M, et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 24(3), 1-8, Art no. 0902308 (2018)
4. Aghbolagh F. B. A., et al., Opt. Lett. 44, 383-386 (2019)
5. WangZ., et al, Opt. Express 22, 21872-21878 (2014)
6. Zhou Z., et al, Opt. Express 26, 19144-19153 (2018)
7. Gladyshev A. V., et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 24(3), 1-8, Art no. 0903008, (2018)
8. Gladyshev A. V., et al, Quantum Electron. 47(12), 1078-1082 (2017)
9. Li Z., et al., Opt. Lett. 43, 4671-4674 (2018)
10. Cao L., et al., Opt. Express 26(5), 5609-5615 (2018)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 237
