CC BY
7SSjmSS 18-20 октября 2022 г.
Сверхвысокая концентрация иттербия в кварцевых волоконных световодах с фосфороалюмосиликатной матрицей стекла сердцевины
Бобков К.К., Михайлов Е.К., Алешкина С.С.
Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова, Москва
Е-mail: egor. mikhailov@gmail. com
DOI: 10.24412/cl-35673-2022-1-17-19 Увеличение концентрации иттербия в кварцевых волоконных световодах до сверхвысоких значений способствует сокращению длины лазерного резонатора, что представляет интерес при создании одночастотных лазеров и лазеров с высокой частотой повторения. Также, увеличение концентрации иттербия в усилителях с большой площадью моды (БПМ) с применением пьедестальной структуры [1] является перспективным способом дальнейшего увеличения пиковой мощности на выходе волоконных усилителей. Для последнего применения желательно использование волоконных световодов, имеющих сердцевину с фосфороалюмосиликатной (ФАС) матрицей, что достигается солегированием Al2O3 и P2O5 в концентрациях, близких к эквимолярным. Это приводит к образованию соединения AlPO4, которое увеличивает растворимость редкоземельных элементов и имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления чистого кварца [2]. Уменьшение показателя преломления сердцевины значительно упрощает изготовление вышеупомянутого пьедестала, легированного германием. В этом случае достижение максимально возможной концентрации Yb2O3 в сердцевине необходимо для максимального сокращения длины активного световода.
Целью настоящей работы являлось выявление предельной концентрации Yb2O3 в волоконных световодах с ФАС матрицей сердцевины. С помощью метода модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) была изготовлена серия ФАС световодов, легированных Yb2O3 вплоть до концентрации 2.41 мол.%. У полученных световодов были измерены серые потери, потери за
™™дыГу™ лазерная физика и волоконная оптика
счет фотопотемнения и эффективность преобразования накачки в сигнал (ЭПН). Для измерения ЭПН использовалась схема волоконного усилителя с попутной накачкой и сигналом (мощность сигнала составляла около 10 мВт на 1030 нм, мощность накачки на длине волны 974.5 нм ~460 мВт).
Было обнаружено, что с ростом концентрации Yb2O3 ФАС световоды почти теряют свои активные свойства - при максимальной концентрации Yb2O3 2.41 мол.% (стекло было дополнительно легировано 16 мол.% А1Р04) ЭПН падает до ~10 %. Только уменьшение концентрации Yb2O3 до 1.3 мол.% (18 мол.% А1Р04) позволило достигнуть высокой ЭПН — на оптимальной длине световода 4.5 см достигалась ЭПН 79 % (Рис. 1). Причем всего ~3.8 см световода было достаточно, чтобы поддерживать ЭПН выше 70 %, что близко к максимальному значению. Насколько нам известно, усилитель, легированный Yb, с длиной активного световода менее 4 см, является самым коротким высокоэффективным усилителем, легированным Yb, из когда-либо зарегистрированных среди световодов на основе кварцевого стекла. В дополнение к этому, световод обладает относительно низкой разницей показателей преломления сердцевины и оболочки 0.01 и малыми потерями за счет фотопотемнения (менее 200 дБ/м на длине волны 633 нм, что соответствует нескольким дБ/м на 1030 нм), что крайне многообещающе для разработки сверхкоротких БПМ усилителей, легированных иттербием, на основе пьедестальной структуры.
Наблюдаемое снижение активных свойств ФАС световодов с высокой концентрацией иттербия может быть объяснено концентрационным тушением люминесценции, возможный механизм которого был предложен ранее в [3]. Более того, другая исследовательская группа недавно сообщила об эффектах ион-ионного взаимодействия в волоконных усилителях, легированных Yb3+, как в кварцевых, так и в фосфатных световодах [4]. Эти теории предполагают наличие соответствующих эффектов, таких как сокращение времени жизни, появление непросветляемых потерь и снижение квантового выхода люминесценции. Для выявления четкой причины деградации ЭПН в разработанных световодах с самым высоким содержанием Yb, были тщательно изучены и измерены все параметры, упомянутые выше. Было обнаружено, что все ожидаемые эффекты (снижение времени жизни, рост непросветляемых потерь и
МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ
18-20 октября 2022 г.
одновременное уменьшение квантового выхода), имеют место в исследованных световодах с предельно высокой концентрацией иттербия, что говорит в пользу выдвинутой теории о концентрационном тушении люминесценции.
Рис. 1. Зависимость мощности накачки и сигнала от длины световода (вставка — эффективность около оптимальной длины).
Авторы выражают благодарность к.х.н. Липатову Д.С. за помощь в изготовлении стеклянных заготовок световодов и к.ф-м.н. Лихачеву М.Е. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 20-19-00347.
1. Sidharthan R., Lin D., Lim K.J., et al. Opt. Lett. 2020, 45, 3828-3831.
2. Likhachev M.E., Bubnov M.M., Zotov K.V., et al. Opt. Lett. 2009, 34, 3355-3357.
3. Kir'yanov A.V., Barmenkov Y.O., Martinezet I.L., et al, Opt. Express 2006, 14, 3981-3992.
4. Wu J., Zhu X., Xia C., et al. Opt. Express 2019, 27, 28179-28193.
500-,
0
10
Длина световода, см
20
