Подавление нежелательных мод волоконного световода с двойной оболочкой посредством внесения поглощающих элементов в первую отражающую оболочку Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

ПОДАВЛЕНИЕ НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ МОД ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ ПОСРЕДСТВОМ ВНЕСЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЕРВУЮ

ОТРАЖАЮЩУЮ ОБОЛОЧКУ

1 * 1 2 2 Кочергина Т.А. , Алешкина С.С. , Липатов Д.С. , Салганский М.Ю. , 11 2 1 Вельмискин В.В. , Бубнов М.М. , Гурьянов А.Н. , Лихачев М.Е.

1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва 2Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород

* E-mail: tatyana@fo.gpi.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16066

Успехи проектирования и развития мощных волоконных лазерных систем были достигнуты в большей степени в результате применения активных волоконных световодов с двойной отражающей оболочкой. Однако необходимо учитывать, что понятие «одномодовости» в таких световодах теряет свой первоначальный смысл. Расположенные за длиной волны отсечки моды сердцевины световода благодаря присутствию второй отражающей оболочки продолжают распространяться в первой отражающей оболочке. В случае, когда размер первой отражающей оболочки значительно превышает размер сердцевины, большая часть мощности нежелательных мод локализована в первой отражающей оболочке, имеет малое перекрытие с активной сердцевиной и не оказывается негативного воздействия на качество выходного пучка. Но в случае необходимости применения волоконных световодов с предельно большим отношением диаметров сердцевины и оболочки, существенная доля мощности нежелательных мод может быть локализована в области сердцевины, и, усиливаясь наравне с фундаментальной модой LP01, заметно ухудшать качество выходного пучка.

В настоящей работе нами предложена и реализована новая методика подавления нежелательных мод волоконного световода с большим соотношением диаметров сердцевины и оболочки посредством создания условий квазиодномодового режима распространения излучения. В конструкцию первой отражающей оболочки световода введены дополнительные поглощающие элементы таким образом, чтобы обеспечить резонансное взаимодействие между нежелательными модами, локализованными в сердцевине световода, и модами, локализованными в поглощающих элементах оболочки. Такой подход позволяет существенно увеличить потери на распространение для нежелательных мод в волоконном световоде. В рамках настоящей работы были спроектированы структуры с кольцевым поглощающим слоем и с тремя поглощающими стержнями для спектрального диапазона работы эрбиевых волоконных лазеров (А~1.55 мкм). Моделирование конструкций волоконных световодов [1, 2] осуществлялось посредством решения скалярного волнового уравнения, а также с использованием программного пакета COMSOL.

Заготовка с поглощающим слоем была реализована при помощи техники «стержень в трубке» [3]. В данном случае методом модифицированного осаждения из газовой фазы (MCVD) была изготовлена германосиликатная заготовка сердцевины (An^p^^^^ 0.0007), внешний диаметр опорной кварцевой трубы в которой был стравлен до размера, соответствующего положению поглощающего слоя. Затем на заготовку сердцевины была нахлопнута кварцевая труба с нанесенным на внутреннюю поверхность методом MCVD алюмосиликатным слоем, легированным до высокой концентрации (2 вес %) ионами Tm3+ (Апслоя= 0.007). Из реализованной заготовки был вытянут волоконный световод с диаметром сердцевины равным 40 мкм, и диаметром оболочки равным 125 мкм. Профиль показателя преломления (ППП) световода показан на Рис.1 а.

Так же был изготовлен волоконный световод с поглощающими стержнями. Заготовка световода была реализована методом MCVD, затем в ней были просверлены три отверстия равноудаленно от оси световода и вставлены изготовленные MCVD методом заготовки поглощающих стержней. Сердцевина поглощающих стержней была легированы ионами Tm3+ (1,2 вес %) [4], малая разность показателя преломления сердцевины и оболочки стержней ~ 0.003 обеспечивалась выбором фосфороалюмосиликатного стекла в качестве матрицы сердцевины. Два поглощающих стержня имели одинаковый диаметр и показатель преломления и оптимизировались для максимального искажения формы моды LP11. Третий стержень добавлялся для подавления моды LP21. Итоговая конструкция консолидировалась и вытягивалась в световод. Диаметр германосиликатной сердцевины равнялся 32 мкм, диаметр оболочки 120 мкм, An сердцевины был равен 0.0022. ППП волоконного световода с внедренными тремя дополнительными стержнями показан на Рис.1б.

134 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

0,02

0,01

0,00-

■jfcA/j^^S - Стержень 2

Стержень 1

-0,005

30 40

Радиус, мкм

-60

-40

-20 0 20

Радиус, мкм

40

60

Рис. 1. Профиль показателя преломления (ППП) реализованного волоконного световода и фотография торца световода (на вставке): (а) с кольцевым поглощающим слоем; (б) с тремя поглощающими стержнями, цветными линиями показаны сечения, в которых производились измерения ППП

Исследование модового состава сердцевины обоих типов волоконных световодов осуществлялось посредством метода сканирующего пучка на длине волны 1,55 мкм.

Волоконный световод с поглощающим слоем был оптимизирован для работы в изогнутом состоянии (будучи намотанным на катушку диаметром 0,5 м). Это подтверждает Рис. 2, из которого видно, что при указанном диаметре наблюдался одномодовый режим распространения (б), тогда как при уменьшении (а) или при увеличении (в) диаметра намотки наблюдалось очевидное ухудшение качества выходного пучка. При исследовании световода без поглощающего слоя в идентичных условиях отмечалось распространение моды LPll (г), а при расчете модового состава сердцевины в таком световоде наблюдалась локализация мод высшего порядка LP11, LP21, LPo2. Таким образом, экспериментально подтверждается факт подавления нежелательных мод сердцевины за счет поглощения в слое.

Также был исследован волоконный световод с поглощающими стержнями (Рис. 3). Исследование модового состава сердцевины световода показало, что присутствие поглощающих стержней приводило к подавлению нежелательных мод сердцевины. На коротком отрезке длиной 0,2 м (а) было отмечено распространение LP01, LP11, и как видно из рисунка, часть доли мощности моды LP11 локализована в одном из поглощающих стержней, что способствовало ее подавлению. При длине отрезка более 3 метров и радиусе изгиба 0,15 м (б) происходило устранение моды LP11 за счет перекачки ее мощности в поглощающий стержень. Радиус изгиба варьировался до 0,07 м без ухудшения доли мощности фундаментальной моды в сердцевине.

При исследовании световода без поглощающих стержней в идентичных условиях было зафиксировано распространение обеих мод (в). Таким образом, экспериментально подтверждается факт устранения нежелательной моды LP11 сердцевины за счет поглощения в стержнях.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 16-12-10553).

Рис. 2. Модовый состав на выходе волоконного световода с кольцевым поглощающим слоем

L — 0,2 м, прямой, со стержнями

ЛСЧ 896

(О Ф s

704 £40

Б76

L = 3m, Rjвгиба = 0Д5 м, со стержнями

ЗВ4

L = 3 и, RiuntSa = 0,15 м, без стержней

V ®

V У^Щ/ W

Рис. 3. Модовый состав на выходе волоконного световода с тремя поглощающими стержнями

Литература

1. Кочергина ТА., Алешкина С.С. и др., В кн.: Российский семинар по волоконным лазерам, 122-123 (2018)

2. Aleshkina S.S., BubnovМ.М., et al, in Advanced Solid State Lasers (ASSL), ATu2A.9 (2018)

3. Aleshkina S.S., LikhachevM.E., et al, Optics Letters 36, 3566-3568 (2011)

4. Кочергина ТА., Алешкина С.С. и др., Квантовая электроника 48, 733-737 (2018)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 135