CC BY
15полностью волоконный комбинированным
ешек-ув усилитель одночастотных импульсов с пиковой мощностью 2 квт и высокой эффективностью
Худяков М.М.1'2*, Бубнов М.М.2, Липатов Д.С.3' Гурьянов А.Н.3, Лихачёв М.Е.1
1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва 2 Московский физико-технический институт (государственный университет), г. Долгопрудный, Московская
область
3Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород
* E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16128
Ряд атмосферных задач, связанных с регистрацией отраженного света (LIDAR) или измерением интегральных потерь в газе, требует одночастотных импульсных лазерных источников с высокой пиковой мощностью (0.1-10 кВт) и относительно высокой длительностью (0.1-1 мкс) в безопасном для глаз спектральном диапазоне. Волоконные усилители на базе легированных оксидом эрбия (Er) световодов с накачкой по оболочке являются наиболее подходящим и наиболее развитым на данный момент решением. До 4 кВт пиковой мощности в одночастотном одномодовом импульсе длительностью 80 нс было продемонстрировано в работе [1]. Однако эффективность преобразования накачки в сигнал была крайне низкой - около 5%, что было вызвано большим количеством непоглощённой накачки. Другой подход к созданию лазерных источников с высокой пиковой в этой спектральной области - использование световодов солегированных оксидами эрбия и иттербия (Er-Yb). Высокая эффективность (46%) была продемонстрирована в таких усилителей для непрерывного излучения [2], однако для этого требовалась встречная накачка и высокий уровень входной мощности (на уровне 10 Вт). В случае усиления импульсов до предельных пиковых мощностей такая конфигурация оказывается неприемлемой вследствие развития нелинейных эффектов в объединителе накачки и сигнала, приваренного на выходе активного световода. В случае же попутной накачки и относительно низкой входной мощности эффективность преобразования накачки в сигнал так же не превышает единиц процентов [3].
В настоящей работе мы предлагаем решить проблему низкой эффективности в Er и Er-Yb усилителях путём создания комбинированного Er/Er-Yb усилителя. Использование Er световода в качестве предусилителя позволяет усилить слабый входной сигнал (10-100 мВт) до уровня нескольких Вт с высокой эффективностью относительно поглощённой накачки. Усиленный сигнал вместе с большим количеством непоглощённой накачки (до 70% процентов от введённой) вводится в Er-Yb световод, приваренный напрямую после Er световода, где накачка с высокой эффективностью преобразуется в сигнал. Отдельным достоинством такой схемы является то, что Er и Er-Yb световоды имеют разные стеклянные матрицы сердцевины и сигнал вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), возникающий в Er-Yb световоде, не усиливается в Er. Таким образом, увеличение общей длины световода при сварке Er и Er-Yb световод не приводит к снижению порога ВРМБ. Фактически максимально достижимая пиковая мощность в комбинированном усилителе будет определяться тем световодом (Er или Er-Yb), который имеет наименьший порог ВРМБ, с поправкой на распределение сигнала по длине усилителя. В данной работе удалось достичь пиковой мощности 2 кВт с эффективностью 25.1%.
Рис. 1. Схема комбинированного усилителя
Схема полностью волоконного комбинированного построенного в схеме МОРА представлена на рис.1. Источник сигнала, использовавшийся в данной работе, создавал импульсы с частотой повторения 20 кГц и средней мощностью 100 мВт , форма которых подбиралась таким образом, чтобы
254
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
после усиления получались прямоугольные импульсы с длительностью 250 нс. Два стабилизированных по длине волны на 976 нм многомодовых лазерных диода давали до 45 Вт накачки, которая вместе с сигналом через 2+1 в 1 волоконный объединитель сигнала и накачки заводилась в Ег световод аналогичный использованному в [4]. Ег световод имел сердцевину диаметром 35 мкм, легированную Р205 и Л1203 в равной доле, с числовой апертурой ~0.017. Его внешняя оболочка имела форму квадрата со стороной 110 мкм. Оно было покрыто полимерным покрытием с низким показателем преломления, которое имело числовую апертуру ~0.46. Сразу после Ег световода был напрямую приварен Ег-УЬ световод - коммерчески доступный ЬМЛ-ЕУБР-25Р/300-НЕ Ыи1егп световод. Сердцевина этого световода была сильно легирована Р205 и имела диаметр 25 мкм. Вокруг сердцевины находился легированный 0е02 слой - пьедестал, толщина которого равнялась 25 мкм. Таким образом числовая апертура сердцевины по отношению к пьедесталу составила ~0.105 и пьедестала к оболочке ~0.2. Внешняя оболочка световода имела форму восьмиугольника с расстоянием между параллельным сторонами 300 мкм. Для предотвращения обратного отражения от выходного торца световода к нему был приварен короткий отрезок световода без сердцевины с диаметром 400 мкм. Мы использовали дихроичное зеркало для отделения накачки от выходного сигнала.
Рис. 2.а) Зависимость выходной пиковой мощности от мощности накачки; б) спектр сигнала, распространяющегося в обратном направлении; в) зависимость выходной мощности и доли усиленной спонтанной люминесценции (УСЛ) от мощности накачки
Результаты представлены на рис.2. Для контроля доли усиленной спонтанной люминесценции (УСЛ) в выходном сигнале был использован интегрирующий фотоприёмник [5]. При максимальной мощности накачки в 45 Вт была получена пиковая мощность 2 кВт с эффективностью 25.1%. При этом, в спектре сигнала, распространяющегося назад, доля мощности в первом стоксе ВРМБ была существенно меньше уровня сигнала релеевского рассеяния, то есть порог ВРМБ в данном случае не был достигнут. В то же время, доля УСЛ составила 3%. Таким образом, в данном случае ограничивающим фактором явилась максимальная энергия, запасённая в усилителе. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 18-19-00687.
Литература
1. L. V Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, V. M. Paramonov, M. I. Belovolov, D. S. Lipatov, and A. N. Guryanov, "Record-peak-power all-fiber single-frequency 1550 nm laser," Laser Phys. Lett, vol. 11, no. 9, p. 095102, Sep. 2014
2. O. De Varona, W. Fittkau, P. Booker, T. Theeg, M. Steinke, D. Kracht, J. Neumann, and P. Wessels, "Single-frequency fiber amplifier at 15 pm with 100 W in the linearly-polarized TEM_00 mode for next-generation gravitational wave detectors," Opt:. Express, vol. 25, no. 21, p. 24880, Oct. 2017
3. Z. Zhao, H. Xuan, H. Igarashi, S. Ito, K. Kakizaki, and Y. Kobayashi, "Single frequency, 5 ns, 200¡J, 1553 nm fiber laser using silica based Er-doped fiber," Opt. Express, vol. 23, no. 23, p. 29764, 2015
4. M. M. KhudyaAov, M. M. Bubnov, A. K. Senatorov, D. S. Lipatov, M. E. Likhachev, A. A. Rybaltovsky O. V. Butov, A. N. Gur'yanov, and L. V. Kotov, "Cladding-pumped 70-kW-peak-power 2-ns-pulse Er-doped fiber amplifier," in Fiber Lasers XV: Technology and Systems, 2018, vol. 10512, p. 41
5. L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, O. Medvedkov, D. Lipatov, A. Guryanov, K. Zaytsev, M. Jossent, and S. Fevrier, "Millijoule pulse energy 100-nanosecond Er-doped fiber laser," Opt. Lett., vol. 40, no. 7, p. 1189, 2015
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
255
