CC BY
6ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
Полностью волоконный комбинированный Ег/Ег-УЬ усилитель одночастотных импульсов с высокой пиковой мощностью и высокой эффективностью
Худяков М.М.1,2
1-Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук Научный центр волоконной оптики им. ЕМ. Дианова 2- Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Е-mail: DAngeL 74@gmail.com
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 (Бг) 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 (Бг-УЬ). Высокая эффективность (46 %) была продемонстрирована в таких усилителях 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].
8-10 декабря 2020 г.
В настоящей работе мы предлагаем решить проблему низкой эффективности в Бг и Бг-УЬ усилителях путём создания комбинированного Бг/Бг-УЬ усилителя. Использование Бг световода в качестве предусилителя позволяет усилить слабый входной сигнал (10-100 мВт) до уровня нескольких Вт с высокой эффективностью относительно поглощённого излучения накачки. Усиленный сигнал вместе с большим количеством непоглощённой накачки (до 70 % процентов от введённой) вводится в Бг-УЬ световод, приваренный напрямую после Бг световода, где излучение накачки с высокой эффективностью преобразуется в сигнал. Отдельным достоинством такой схемы является то, что Бг и Бг-УЬ световоды имеют разные стеклянные матрицы сердцевины и сигнал вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), возникающий в Бг-УЬ световоде, не усиливается в Бг. Таким образом, увеличение общей длины световода при сварке Бг и Бг-УЬ световод не приводит к снижению порога ВРМБ. Фактически максимально достижимая пиковая мощность в комбинированном усилителе будет определяться тем световодом (Бг или Бг-УЬ), который имеет наименьший порог ВРМБ, с поправкой на распределение сигнала по длине усилителя. В данной работе удалось достичь пиковой мощности 3.7 кВт с эффективностью 23.6 %.
Рис. 1.Слева - кривая эффективности комбинированного усилителя, справа - выходной импульс на пороге ВРМБ.
Источник сигнала, использовавшийся в данной работе, создавал импульсы с частотой повторения 20 кГц и средней
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
мощностью 100 мВт, форма которых подбиралась таким образом, чтобы после усиления получались прямоугольные импульсы с длительностью 160 нс. В качестве Er световода было использовано 1.5 м световода аналогичного использовавшемуся в работе [1]. К нему было приварено 0.5 м коммерчески-доступного Er-Yb световода LMA-EYDF-25P/300-HE Nufern. Для предотвращения обратного отражения от выходного торца световода к нему был приварен короткий отрезок световода без сердцевины с диаметром 400 мкм.
Результаты представлены на рис. 1. При максимальной мощности накачки в 45 Вт была получена выходная мощность 9.6 Вт с наклонной эффективностью 23.6 %. Порог ВРМБ определялся по импульсной нестабильности (углубление в задней части импульса) и по превышению доли отражённой ВРМБ назад мощности 0.1 % от выходной мощности и составил 3.7 кВт. Таким образом, полученная эффективность более чем в 4 раза превышает результат из [1] при сравнимой пиковой мощности.
Автор выражает благодарность научному руководителю, к.ф.-м.н. Лихачёву М.Е. и чл.-корр. РАН Бубнову М.М. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.
1. L.V. Kotov, M E. Likhachev, M.M. Bubnov, et al. Laser Phys. Lett. 2014 11, 095102.
2. O. De Varona, W. Fittkau, P. Booker, et al. Opt. Express. 2017 25, 24880.
3. Z. Zhao, H. Xuan, H. Igarashi, et al. Opt. Express. 2015 23, 29764.
