CC BY
5ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА СТЕКЛА СЕРДЦЕВИНЫ ДЛЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ ИТТЕРБИЕВЫХ ВОЛОКОННЫХ
ЛАЗЕРОВ
1 * 2 1 1 2 Умников А.А. , Рыбалтовский А.А. , Яшков М.В. , Абрамов А.Н. , Лихачёв М.Е. ,
Липатов Д.С. 1
1 ФГБУН Институт химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых Российской академии наук,
г. Н. Новгород, ул. Тропинина, 49 2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова,
г. Москва, ул. Вавилова, д. 38 * E-mail: umnikov@ihps-nnov.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-154-155
В последние годы одночастотные волоконные лазеры (ОВЛ) все чаще используются в высокоскоростных телекоммуникационных сетях связи, спектроскопии, различных датчиках и метрологии. Благодаря своей компактности, надежности и простоте конструкции ОВЛ легко интегрируются в существующие оптоволоконные системы. Резонатор ОВЛ представляет собой короткий отрезок активного световода (длиной несколько сантиметров), расположенный между двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР), согласованными по длине волны. Эффективность и стабильность режима генерации ОВЛ определяются длиной резонатора. Для выполнения условия генерации единственной продольной моды резонатор должен быть достаточно коротким (<2 см), но в то же время на короткой длине используемого активного световода необходимо обеспечить эффективное поглощение излучения накачки. Реализация этих требований на практике приводит к необходимости введения в стекло сердцевины световода высокой концентрации активной добавки, в качестве которой используются оксиды редкоземельных элементов [1-2]. В рамках данной работы были разработаны кварцевые волоконные световоды с рекордно высокой концентрацией Yb2O3 на основе наиболее перспективных матриц: P2O5/SiO2 и Al2O3/P2O5/SiO2. На их базе были созданы ультракороткие волоконные резонаторы типа Фабри-Перо, предназначенные для генерации одночастотного непрерывного излучения на длине волны ~1,06 мкм и проведено сравнительное исследование их оптических и лазерных характеристик.
Преформы световодов были изготовлены полностью газофазным MCVD методом, с использованием мало-летучих прекурсоров: AlCl3 и Yb(thd)3. Стекло сердцевины было синтезировано оригинальной методикой раздельного осаждения компонентов стекла [3]. Вначале осаждался тонкий пористый слой матрицы (1350-1550°C). Затем на его поверхности осаждался слой Yb2O3 (1000-1100°C), который формировался за 16-18 проходов горелки, после чего легированный иттербием слой сплавлялся в прозрачное стекло (1850-1950°C) в присутствии CCl4 для удаления водородсодержащих примесей, образующихся на стадии газофазной пропитки. Изготовление сердцевины путем осаждения 5-6 тонких слоев матрицы с длительной пропиткой каждого из них обеспечило высокую концентрацию Yb2O3 и однородность состава стекол. В таблице 1 приведены основные характеристики двух одномодовых световодов (образцы LD604 и Y291), изготовленных по данной методике. Как видно из таблицы, уровень фоновых потерь в данных световодах не превышает величину 0,01 дБ/м, что свидетельствует об однородности и высоком уровне чистоты синтезированных стекол.
Таблица 1. Основные характеристики исследованных световодов
Образец Состав стекла сердцевины, мол. % Д^сердцевина-оболочка ^отсечки нм Поглощение на 975 нм, дБ/м Поглощение на 1550 нм, дБ/м
LD604 (Лазер №1) 1,27Yb2O3/9Al2O3/10,2P2O5/79,53SiO2 0.01 850 2600 0.01
Y291 (Лазер №2) 1,85Yb2O3/12,5P2O5/85,65SiO2 0.018 910 1700 0.01
Разработанный метод раздельного легирования обеспечивает потенциально любую максимальную концентрацию активной добавки в стекле за счет увеличения времени газофазной пропитки одного слоя стекла или числа соответствующих проходов горелки. Конверсия металлорганических прекурсоров в данном случае протекает при значительно более низкой температуре по сравнению со стандартным методом MCVD, что обеспечивает однородность состава стекла по длине заготовки (исключается преждевременное осаждение Yb2O3 перед горелкой), а также высокую концентрацию легколетучих компонентов матрицы в стекле (Р^5) в условиях МСУВ
процесса. Как известно, концентрация иттербия в стекле (растворимость) определяется концентрацией фосфора и алюминия. В случае фосфоросиликатного стекла, легированного Yb (образец Y291), удалось ввести 1,85 мол. % Yb2O3 (табл. 1). Концентрация добавок ограничивалась в данном случае образованием пузырьков в процессе спекания слоев за счет совместного испарения оксидов фосфора и иттербия. Алюмофосфоросиликатное стекло, легированное Yb (образец LD604), содержало 1,27 мол. % Yb2O3. Дальнейшее увеличение концентрации легирующих примесей приводило к растрескиванию синтезированного стекла из-за большой разницы между коэффициентом теплового расширения (КТР) материалов сердцевины и оболочки. Таким образом полученные концентрации иттербия в стеклах можно считать предельными для используемой технологии.
Два резонатора типа Фабри-Перо («Лазер №1» и «Лазер №2»), исследованные в данной работе, были сформированы на коротких отрезках (длиной ~ 2 см) активных световодов LD604 и Y291 соответственно. Запись ВБР осуществлялась с помощью стандартной методики УФ-облучения сердцевины световода через фазовую маску эксимерным лазером (193 нм). Поскольку фосфоросиликатные и алюмосиликатные световоды имеют относительно низкую начальную фоточувствительность к УФ-излучению, запись ВБР была возможна только при наличии молекулярного водорода в сердцевине. Поэтому отрезки активных световодов, используемые для записи ВБР, предварительно выдерживались в атмосфере молекулярного водорода до полного насыщения в течение 3 недель при комнатной температуре (295 К) и давлении 10 МПа.
s -m ш
4
g го ■ л
¡Е
5 -30
S -Î0
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры излучения образцов лазерных резонаторов "Лазер №1" и "Лазер №2
3. g
J
в s
50 100 150 200
Мощность излучения накачки. мВт
Рис. 2. Оптическая мощность "Лазера №1" и "Лазера №2" в зависимости от мощности излучения накачки на длине волны 974,5 нм
Спектры излучения лазеров №1 и №2 приведены на рис. 1. Видно, что в спектрах присутствует единственный узкий пик, ширина которого составила «0,03 нм (измерена на уровне -3 дБ от максимума интенсивности). Влияние состава матрицы стекла сердцевины световода на эффективность преобразования накачки в образцах лазеров №1 и №2 было исследовано с помощью сравнения зависимостей выходной мощности лазерного излучения от мощности излучения накачки с длиной волны 974.5 нм (рис. 2). Пороговое значение мощности накачки в лазере №1 (100 мВт) оказалось на порядок выше, чем в лазере №2 (10 мВт). Дифференциальная эффективность у лазера №1 (13%) оказалась также значительно хуже по сравнению с лазером №2 (47%). Снижение эффективности могло быть вызвано внутрирезонаторными потерями, наведёнными в световоде во время записи ВБР. Важно отметить, что для записи ВБР в световоде LD604, вследствие его более низкой начальной фоточувствительности, была затрачена доза УФ-облучения примерно в 5 раз больше по сравнению с Y291. Увеличение дозы УФ-экспозиции ведёт к росту концентрации в сетке стекла фотоиндуцированных водород-содержащих дефектов, из-за поглощения которых падает эффективность возбуждения ионов Yb3+ излучением накачки.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00511.
Литература
1. Mo S.; Xu S.; Huang X.; Zhang W.; Feng Z.; Chen D.; Yang T.; Yang Z., A 1014 nm linearly polarized low noise narrow-linewidth single-frequency fiber laser, Optics Express, 2013, 21(10), 12419-12423
2. Yang C.; Zhao Q.; Feng Z.; Peng M.; Yang Z.; Xu S., 1120 nm kHz-linewidth single-polarization single-frequency Yb-doped phosphate fiber laser, Optics Express, 2016, 24(26), 29794-29799
3. A. Rybaltovsky, M. Yashkov, A. Abramov, A. Umnikov, M. Likhachev, D. Lipatov, Optimization of the Core Compound for Ytterbium Ultra-Short Cavity Fiber Lasers, Fibers, 2023, to be published
