CC BY
28неодимовыи волоконный лазер с самосканированием частоты
Каширина Е.К.1'2, Лобач И.А.1'3, Каблуков С.И.1'3*
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск 3Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск * E-mail: kab@iae.nsk.su
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16114
Перестраиваемые волоконные лазеры находят свое применение в различных областях науки и техники. Среди многообразия перестраиваемых лазеров особое место занимают лазеры с самоиндуцированным сканированием (самосканированием) оптической частоты [1]. Данный тип лазеров работает в режиме релаксационных колебаний, при котором генерация импульсов сопровождается небольшим сдвигом оптической частоты на частоту межмодовых биений резонатора (~2-10 МГц). Сдвиг частоты между импульсами имеет относительно регулярный однонаправленный характер, а сам процесс изменения частоты может продолжаться на масштабах до 7 ТГц [2], пока перестройка не достигает края диапазона, где скачком возвращается в начало, и сканирование повторяется вновь.
Изменение частоты при генерации нового импульса возникает благодаря распределенной обратной связи, динамически формируемой в активной среде узкополосным излучением [1]. Стоячая волна, генерируемая в линейном резонаторе, неоднородно насыщает усиление вдоль активной среды (эффект пространственного выжигание дыр), приводит к продольной модуляции как коэффициента усиления, так и показателя преломления. С одной стороны, данные решетки имеют относительно большое время жизни, поэтому влияют на генерацию последующих импульсов, а, с другой стороны, они сами динамически перезаписываются (изменяются) в процессе генерации новых импульсов. Изменяя положение активной среды внутри резонатора лазера можно управлять величиной относительного сдвига частоты, соответствующего максимальному превышению усиления над потерями [1]. Более того, выбором длин пассивных волокон, расположенных с одной и другой стороны относительно активной среды, можно обеспечить режим одночастотного самосканирования, в котором каждый импульс соответствует генерации на одной продольной моде. Такой режим самосканирования с генерацией регулярных импульсов был продемонстрирован в иттербиевом [1], висмутовом [3] и тулиевом [4] волоконных лазерах. Обычный режим самосканирования с генерацией маломодового излучения был продемонстрирован также в эрбиевом [5] и гольмиевом [6] лазерах.
Следует отметить, что все указанные лазеры [1-6] работают по квази-трехуровневой схеме. При этом ранее не сообщалось о получении режима самосканирования частоты в лазере с четырехуровневой схемой генерации. Между тем, неодимовый лазер с длиной волны генерации 1.06 мкм работает по четырехуровневой схеме, и может быть собран на тех же компонентах, что и хорошо известный иттербиевый волоконный лазер. Однако наши первые попытки заменить иттербиевую усилительную часть лазера (активную среду и накачку) на аналогичную неодимовую часть не увенчались успехом. Самосканирование частоты наблюдается в режиме релаксационных колебаний, а лазер с четырехуровневой схемой быстро переходит в непрерывный режим генерации. Для получения устойчивого режима незатухающих релаксационных колебаний в неодимовом лазере нужно существенно уменьшить спектральную ширину добротности резонатора в сравнении с аналогичной областью в иттербиевом волоконном лазере. Данный момент, по всей видимости, связан с существенно большей шириной однородного насыщения в иттербиевом лазере, которая по оценкам достигает десятков нанометров. С другой стороны, величина однородного уширения в неодимовом стекле ~3 нм [7] на порядок меньше, чем характерная ширина контура усиления. Это приводит к тому, что даже при умеренных выходных мощностях ~1 Вт ширина спектра генерации в неодимовом лазере с широкополосными зеркалами может превысить 10 нм, что на порядки больше, чем в аналогичном иттербиевом лазере. Кроме того, в наших экспериментах наблюдалось, что в волоконных лазерах на базе активных неодимовых волокон с двойной оболочкой PM-NDF-5/125 (Nufern) и IXF-2CF-Nd-5-130 (iXFiber) с сохранением и без сохранения поляризации, соответственно, наблюдается модуляция спектра генерации с периодом ~2 нм. Наличие этой модуляции приводит к хаотичным перескокам частоты между этими компонентами в припороговом режиме генерации.
228 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
РМ волокно
РМ Nd-вопокно 3 м
ыиликпи^ц^ь----'
1м о на
Объединитель^ накачек
R}~ 4% Скол волокна
Лазерный диод
РМ волокно 33см
РМ волокно
X 45° сварка
Контроль
21см _
> »^(ййдЭ^ J
зТр / Ra-100% V—IГ
Поляризатор Фильтр температуры Волоконное кольцевое зеркалу
^^^^ Лазерный диод
Рис. 1.Экспериментальная схема волоконного неодимового лазера с самосканированием частоты
Оказалось, что уменьшение ширины спектра генерации с помощью узкополосного селектора, помещенного в резонатор, приводит к генерации регулярных микросекундных импульсов с узкополосным излучением и самосканированию частоты в относительно большом диапазоне мощностей. Схема лазера представлена на Рис.1. В качестве такого селектора нами использовался двухкомпонентный фильтр Лио, который в сочетании с полосовым фильтром (ширина спектра пропускания ~ 11 нм) и кольцевым волоконным зеркалом образовывал отражатель с переменной спектральной шириной. Волоконный фильтр Лио образован тремя поляризаторами и двумя отрезками волокна с сохранением поляризации, чьи оси были сориентированы под углом 45о относительно осей поляризаторов. Ширина спектра пропускания компонент фильтра Лио изменялась обратно пропорционально длине указанных выше отрезков волокна. Оптимизация ширины спектра отражения позволила получить область самосканирования ~ 1.8 нм (Рис.2) в области 1065 нм.
Рис.2. Динамика длины волны лазера при мощности накачки 3Вт
Также было установлено, что каждый импульс состоит практически из одной продольной моды с шириной линии порядка 1 МГц, а частота между импульсами меняется на частоту межмодовых биений резонатора (~7 МГц). Таким образом, для неодимового волоконного лазера был продемонстрирован режим одночастотного самосканирования частоты, аналогичный другим волоконным средам [1,3-4]. Максимальная выходная средняя мощность генерации в режиме самосканирования превысила 600 мВт.
Более детальное описание характеристик разработанного волоконного неодимового источника перестраиваемого излучения будет представлено в докладе.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-12-00243).
Литература
1. Lobach I.A., et al, Laser Physics Letters 11, 045103 (2014)
2. Lobach I.A., et al, Fifth Russian-Chinese Workshop and School for Young Scientists on Laser Physics and Photonics, Novosibirsk, Russia (2015)
3. Lobach I.A., et al, Optics Express 23, 24833-24842 (2015)
4. Budarnykh A.E., et al, Opt. Lett. 43, 5307-5310 (2018)
5. Navratil P., et al, Opto-Electronics Review, 26, 29-34 (2018)
6. Aubrecht J, et al, Optics Express 25, 4120-4125 (2017)
7. Беликова Т.П., и др, Краткие сообщения по физике 5, 48-51 (1972)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
229
