CC BY
3ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ
ШИРОКОПОЛОСНОЕ УСИЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ 2,7-2,8 МКМ В ВЫСОКОЧИСТЫХ ЦИНК-ТЕЛЛУРИТНЫХ ВОЛОКНАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ ЭРБИЯ
Муравьев С.В. 1*, Коптев М.Ю. 1, Дорофеев В.В. 2, Моторин С.Е. 2' Ким А.В. 1
1 Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород 2 Институт химии высокочистых веществ РАН, г. Нижний Новгород * E-mail: sergey-muravyev@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-209-210
Волоконные лазеры среднего ИК-диапазона длин волн вызывают большой интерес в связи с широким спектром возможных применений: спектроскопия, дистанционное зондирование атмосферы, медицина и биохимия [1]. Переход иона эрбия Er3+ 4In/2 ^ 4I113/2 на длине волны 2,7 мкм в настоящее время часто используется благодаря доступным мощным коммерческим лазерным диодам, выходное излучение которых используется для накачки активного волокна в полосе поглощения в области 976 -980 нм. Рекордная выходная мощность была достигнута в волоконном лазере, изготовленном из фторидного волокна, легированного ионами Er3+ [2]. Однако, несмотря на большой успех использования фторидных волокон в лазерах, их коммерциализация представляет собой сложную задачу, связанную в основном с недостатками этих волокон, такими как механическая хрупкость, склонность к кристаллизации, поглощение атмосферной влаги и низкая температура плавления фторидного стекла.
Многообещающей альтернативой фторидным стеклам являются теллуритные стекла, которые играют важную роль в волоконных лазерах, усилителях и волноводах благодаря их уникальным оптическим и физическим свойствам, в том числе низкой энергии фононов, лучшей теплопроводности и другим. Лазеры на основе теллуритного стекла, работающие в диапазоне от 1,0 до 2,1 мкм с различными формами материалов, такими как объемные стекла и волокна, были реализованы в последние десятилетия, продемонстрировав свой большой потенциал и гибкость в области оптоэлектронных функциональных материалов. Однако наиболее интересная область около 3 мкм все еще далека от реализации в волоконных лазерах, в основном из-за примесей в стекле, в первую очередь гидроксильных групп, которые сильно влияют на оптические потери в этой области длин волн. В последнее время, уделяя особое внимание снижению концентрации примесей за счет использования чистых исходных материалов и оригинальной технологии синтеза, мы изготовили ультра-сухие заготовки с сердцевинами из стекол: TeO2-ZnO-La2O3-Bi2O3 с 1,1 мол. % ZnO , 4 мол. % La2O3, 1,1 мол. % Bi2O3, легированного 0,4 мол. % Er2O3. Составы стекла оболочек волокна: TeO2-ZnO-La2O3 с 4 мол. % и 6 мол. % La2O3 в первой и второй оболочках соответственно. Эти составы обеспечивали числовую апертуру активного теллуритного волокна 0,15 на длине волны 2,7 мкм для сердцевины и 0,2 на длине волны 0,98 мкм для первой оболочки световода.
Экспериментально измеренное поглощение излучения в диапазоне длин волн 2,7-2,8 мкм в сердцевине волокна составило величину не более 1,5 дБ/м.
Для исследования усиления оптических импульсов в эрбиевом цинк-теллуритном волокне с двумя оболочками была разработана экспериментальная установка [3], схема которой показана (Рис. 1). Схема состоит из многомодового лазерного диода накачки, волоконного источника суперконтинуума, исследуемого цинк-теллуритного волокна, спектрометра, фотоприемника среднего ИК-диапазона на основе InSb, охлажлаемого жидким азотом и цифрового осциллографа. Для ввода излучения накачки в первую оболочку исследуемого активного волокна использовались кварцевая плоско-выпуклая линза с фокусным расстоянием 25 мм и цинк-селеновая плоско-выпуклая линза с фокусным расстоянием 7 мм. Для ввода излучения суперконтинуума с противоположного торца волокна использовались цинк-селеновые плоско-выпуклые линзы с фокусным расстоянием 25 мм. Излучение суперконтинуума, прошедшее через теллуритный световод, после делительной пластинки, поступало в спектрометр и модулировалось чоппером с частотой 75 Гц. На выходе спектрометра был установлен InSb детектор, выходной сигнал которого поступал на цифровой осциллограф. Импульсная диодная накачка синхронизировалась с чоппером, т.о., чтобы импульс диодной накачки длительностью 210 мкс перекрывался во времени с импульсами суперконтинуума после чоппера.
ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ
Рис. 1. Экспериментальная установка для измерения коэффициента ON/OFF усиления в теллуритных световодах, легированных эрбием. LD - лазерный диод накачки;
L1 - плосковыпуклая кварцевая линза; L2 - L4, плосковыпуклые линзы ZnSe; BS - светоделитель;
LPF - кристаллический германиевый фильтр нижних частот
Длительность импульса накачки определялось временем жизни ионов эрбия Er3+ в верхнем 4I11/2 возбужденном состоянии ~ 200 мкс. Период повторения импульсов должен быть много больше времени жизни ионов эрбия в нижнем 4I13/2 возбужденном состоянии ~ 7 мс, чтобы населенность нижнего лазерного уровня успевала опустошиться за время между импульсами накачки. Отношение амплитуд сигналов суперконтинуума, прошедших через активное теллуритное волокно, с накачкой и без накачки позволяло измерять ON/OFF усиление в спектральном диапазоне 2,7 - 2,8 мкм, а также измерить спектр ON/OFF усиления (Рис. 2.).
Wavelength, nm
Рис.2. Спектры On/Off усиления в эрбиевом цинк-теллуритном волокне при длине волокна 30 см
Спектры усиления теллуритного световода, легированного эрбием, длиной 30 см представлены на Рис. 2. Спектры регистрировались при пиковой мощности накачки от 3,1 Вт до 25,2 Вт. Коэффициент усиления на фиксированной длине волны монотонно возрастает с увеличением мощности накачки. Видно уширение спектра усиления с увеличением мощности накачки. Длина волны максимального усиления находится в диапазоне 2,7 - 2,72 мкм. При слабой накачке максимальное усиление наблюдается в коротковолновой области спектра ON/OFF усиления. Однако с ростом мощности накачки наблюдается увеличение усиления в длинноволновой области спектра до 2,85 мкм. Следует также отметить наличие некоторой осцилляции в спектре усиления при большой мощности накачки. Мы предполагаем, что причиной этого может быть перераспределение населенностей энергетических подуровней, вызванное большой мощностью накачки.
Поддержано НЦМУ «Центр фотоники», при финансировании Министерством науки и высшего образования РФ, соглашение № 075-15-2022-316 от 22.04.2022 г.
Литература
1. S.D. Jackson, Nat. Photonics 6(7), 423-431 (2012)
2. Y.O. Aydin et.al., Opt. Lett. 43(18), 4542-4545 (2018)
3. S.V. Muraviev et.al., Applied Optics, 61, No. 32 (2022)
