CC BY
0I ssssrass 22-24 октября 2024 г.
А -ПРОКОРОВСКИЕ НЕДЕЛИ-
Оптимизация волоконного встречного ввода накачки через боковую поверхность в конусном световоде, легированном иттербием
Михайлов Е.К.1, Ширманкин Андрей В.2
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова, Москва
2- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
Е-mail: egor.mikhailov@fo.gpi.ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-37-39
Для создания волоконных импульсных лазеров с высокой пиковой мощностью необходимо использовать световоды с большой площадью моды, тем самым повышая порог возникновения нежелательных нелинейных эффектов. Одним из наиболее перспективных дизайнов таких световодов являются конусные световоды (КС), диаметр сердцевины и оболочки которых плавно меняется вдоль их длины. Если сигнал вводят в тонкий одномодовый конец световода, то при распространении по нему фундаментальная мода претерпевает адиабатическое расширение без возбуждения мод высшего порядка, что приводит к одномодовому режим работы в световоде с выходным диаметром сердцевины до 100 мкм. С помощью КС в системах с волоконным вводом сигнала были продемонстрированы рекордные значения пиковой мощности как непосредственно на выходе из световода [1], так и при усилении чирпированных импульсов [2]. Однако, использование ввода накачки навстречу распространению сигнала приводит к необходимости применения объёмной оптики.
Целью настоящей работы является реализация на КС волоконного встречного ввода накачки, чтобы получить полностью волоконный усилитель с вводом накачки через боковую поверхность. Первые результаты описанного подхода были представлены в работе [3]. Мы использовали КС длиной ~2 м, аналогичный представленному в [2] (на толстом конце диаметр сердцевины составлял 40 мкм). Излучение на длине волны 1064 нм и мощностью 50 мВт вводили в тонкую часть в качестве сигнала. Ввод накачки осуществляли путем физического контакта боковых поверхностей жилы накачки и активного световода (рис. 1). Зона контакта располагалась на расстоянии 6 см от выходного торца КС. Важно
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
отметить, что активный световод имел вторую оболочку, легированную фтором. Она была предварительно стравлена плавиковой кислотой на участке длиной 7 см. Для увеличения эффективности перекачивания излучения накачки жилы имели локальную биконическую структуру. Уменьшение диаметра приводит к увеличению числовой апертуры и снижению отношения площадей поперечного сечения жилы и активного световода, что позволяет более эффективно перекачивать накачку в активный световод. Жилы накачки изготавливали из кварц-полимерного световода диаметром 125 мкм. Требуемый профиль диаметра достигали плавным вытягиванием из плавиковой кислоты или при растягивании в процессе нагрева с помощью установки Уу1хап ОРХ 3400.
В работе [3] одновременно использовали сразу три жилы, диаметр которых уменьшался до ~30 мкм. Излучение двух лазерных диодов накачки, работающих на длине волны 976 нм и суммарной мощностью 28 Вт, вводили в две из них. Остаточное излучение через объединитель накачки вводили в третью жилу. Стоит отметить, что в этом случае жилы были получены травлением. Для фиксации их покрывали полимером с показателем преломления меньшим, чем у световодов. В такой конфигурации эффективность ввода накачки составила ~75 % и позволила получить 9,1 Вт сигнала с пиковой мощностью 0,53 МВт. Дальнейшее увеличение средней мощности осложнено сгоранием полимерного покрытия области контакта или самого КС.
В настоящей работе было проведено более подробное исследование данного подхода. Для простоты предварительные эксперименты проводили с одной жилой, при помощи которой
Усиленный <-
сигнал
Сигнал <-
Конусный световод
Рис. 1. Схема волоконного ввода накачки в КС
I ssssrass 22-24 октября 2024 г.
А -ПРОКОРОВСКИЕ НЕДЕЛИ-
накачку вводили в пассивный цилиндрический световод (с полимерным покрытием, обеспечивающим апертуру более 0,45 и с отражающим слоем из фторированного кварцевого стекла, обеспечивающим апертуру 0,26). Полимер для фиксации не использовали, чтобы исключить его сгорание при работе с большими мощностями излучения накачки. При использовании пассивного кварц-полимерного световода диаметром 800 мкм мы получили эффективность ввода 91 % при 100 Вт накачки, а при использовании кварц-кварцевого световода со фторированной второй оболочкой — 76 %. Таким образом, эффективно вводится в сигнальную жилу лишь накачка с относительно большой апертурой, что приводит к снижению эффективности ввода в кварц-кварцевый световод. Ситуация усугубляется в КС, диаметр которого постепенно уменьшается, что дополнительно увеличивает апертуру накачки и ее «вытекание» из первой отражающей оболочки. Увеличение диаметра талии жил накачки до 60 мкм способствует уменьшению апертуры накачки. В итоге, используя встречный волоконный ввод накачки в КС, мы получили 24 Вт средней мощности усиленного сигнала при 100 Вт накачки. Эффективность ввода при этом снизилась до 41 %. К тому же, около 20 Вт накачки оставалось в жиле, и ввод остаточного излучения через дополнительную жилу аналогично [2] может повысить эффективность до 50 %. Мы полагаем, что более низкая максимальная эффективность обусловлена отсутствием фиксирующего полимера в зоне контакта, нагрев которого, по всей видимости, приводил к нелинейному характеру эффективности (при высокой мощности эффективность ввода вырастала) в работе [2]. Более детально результаты исследований будут представлены на конференции.
Авторы выражают благодарность научному руководителю к.ф.-м.н. Лихачеву М.Е. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.
1. Mikhailov E.K., Bobkov K.K., Levchenko A.E. et al., Photonics. 2023, 10, 1385.
2. Bobkov K., Levchenko A., Lipatov D. et al., Photonics. 2022, 9(10), 771.
3. Bobkov K., Andrianov A., Koptev M. et al., Opt. Express. 2017, 25, 26958-26972.
