Тулиевый волоконный лазер с управляемым самосканированием длины волны Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

тулиевыи волоконный лазер с управляемым самосканированием длины волны

Бударных А.Е.1,2, Лобач И.А.1'2*, Каблуков С.И.1,2

1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск

E-mail: lobach@iae.nsk.su

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16113

Самоиндуцированное сканирование или самосканирование - относительно новый эффект в волоконных лазерах [1]. Суть эффекта заключается в пассивной периодической перестройке оптической частоты лазерного излучения. Как правило, динамика длины волны / оптической частоты во времени представляет собой пилообразный сигнал. Считается, что эффект обусловлен формированием в активной среде лазера различных видов относительно долгоживущих динамических решёток, определяющих конкуренцию продольных мод [2]. В свою очередь, наличие самих решеток объясняется продольной модуляцией инверсии населенности лазера, сформированной генерируемой стоячей волной в резонаторе. Стоит отметить, что для определенных конфигураций линейного резонатора, такой лазер генерирует периодические микросекундные импульсы, каждый из которых состоит из одной продольной моды, а оптическая частота изменяется ступенчатым образом от одного импульса к следующему на величину межмодовых биений резонатора [2]. Благодаря простоте конструкции и большому диапазону перестройки (26 нм [3]), подобные лазеры находят своё применение в ряде приложений: опрос волоконных датчиков [4], анализ лазерных спектров [5] и других. К настоящему времени эффект самосканирования частоты был продемонстрирован практически во всех известных волоконных средах: вблизи 1.06 мкм с иттербием [1-2] и неодимом [6], вблизи 1.46 мкм с висмутом [7], вблизи 1.55 мкм с эрбием [8] и вблизи 2 мкм с тулием [3] и гольмием

[9].

В первых экспериментах, а также во многих случаях наблюдался постепенный линейный рост длины волны лазера с обратным резким скачком к начальному значению [1-9]. Однако позднее было показано, что возможно и обратное сканирование, когда длина волны уменьшается во времени [10]. Также в работе [10] было показано, что в некоторых случаях изменение мощности накачки позволяет переключать режим сканирования между прямым и обратным. При некотором уровне мощности накачки наблюдалось одновременное существование двух режимов с неконтролируемым переключением между сканированиями двух типов. В настоящей работе демонстрируется самосканирующий линейно-поляризованный тулиевый лазер с генерацией, как и в [3] в области 1920 нм, но в котором с помощью мощности накачки осуществляется управление лазерной динамикой: при малых и больших мощностях накачки инициируется обратное и прямое сканирование длины волны, соответственно, а при некотором среднем уровне мощности накачки в отличие от [10] длина волны останавливается. В последнем случае длина волны остановки определяется предысторией спектральной динамики лазера и может быть зафиксирована в спектральном диапазоне от 1912 до 1923 нм. Таким способом мы впервые для лазера с пассивным сканированием продемонстрировали активную перестройку длины волны.

Кольцевоей

^ '"V зеркало \ (

Х^миХ @2000 нм Пол

РМ Тш

волокно, 5м

@2000 нм Поляризатор

а

изатор я Ег- лззёр^^^

/РЧк Пря

1550/1960 (ff ТО ск

-1

\ РМ воло

Прямой скол

н

P1VI волокно 40см

1570 нм

Рис. 1. Схема волоконного лазера с управляемым сканированием длины волны

Схема лазера представлена на Рис.1. Элементы лазера выполнены на основе компонентов с сохранением поляризации. Резонатор образован волоконным кольцевым зеркалом на основе волоконного ответвителя 50/50 с одной стороны и торцом сколотого под прямым углом волокна с

226

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

другой стороны. В качестве активной среды использовался отрезок тулиевого волокна (РМ-Т8Р-9/125, ЫиГегп) длиной 4.5 м. Излучение накачки линейно поляризованного одночастотного эрбиевого волоконного лазера с длиной волны 1570 нм и максимальной выходной мощностью до 1.3 Вт заводится в резонатор через спектрально-селективный разветвитель 1550/1960.

Оказалось, что в отличие от [3] при достижении порога генерации (~300 мВт) начинается лазерная генерация с обратным по длине волны самосканированием (Рис.2а,Ь). При этом, скорость сканирования была достаточно небольшой (~0.1 нм/сек). Дальнейшее увеличение накачки приводит к постепенному замедлению сканирования вплоть до мощностей 420-470 мВт, где спектральная динамика практически не наблюдается (Рис.2с). Дрейф длины волны составил менее 50 пм в течение 5 минут. При этом сама длина волны остановки определялась спектральной динамикой до момента остановки и таким способом могла быть выбрана из диапазона от 1912 до 1923 нм при соответствующем выборе момента остановки сканирования и управлении мощностью накачки. На Рис.2в представлены примеры различных реализаций режима остановки длины волны. Дальнейшее увеличение мощности накачки (более 470 мВт) приводило к скачкообразному росту скорости сканирования и изменению его направления на нормальное (Рис.2б,е). Диапазон сканирования составлял порядка 15 нм. Было установлено, что в случае нормального сканирования лазер генерирует регулярную последовательность одночастотных импульсов [2] со спектральной шириной менее 200 кГц как в работе [3]. Таким образом, в работе продемонстрирован лазерный источник с возможностью управления не только направлением самосканирования, но и остановкой длины волны.

1930

1920

1910

1930

1920

£ i 1910

3 1930

i

с; о 1920

ш

10 1910

z

s 1930

5

1920

1910

1930

1920

1910

(а)

• 350 мВт

<Ь)

- 370 мВт

(С)

440 мВт

30

60

120

150

90

Время, сек

Рис. 2. Динамика длины волны генерации лазера при различных мощностях накачки

180

Более детальное описание характеристик разработанного волоконного тулиевого источника перестраиваемого излучения, возможных механизмов, лежащих в основе его работы, а также перспектив его практического применения будет представлено в докладе.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (грант № 18-12-00243).

Литература

1. 2.

3.

4.

5.

9.

Kir'yanov A.V., et al, Laser Physics Letters 8, 305-312 (2011) Lobach LA, et ail, Laser Physics Letters 11, 045103 (2014) Budarnykh A.E., et al, Opt. Lett. 43, 5307-5310 (2018) Ткаченко АЮ, и др., Прикладная фотоника, 3, 37-49 (2016) Tkachenko A.Yu, et al, Optics Express 25, 17600-17605 (2017) Kashirina E.K., et al, Opt. Lett. 44, 2252-2255 (2019) Lobach I.A., et al, Optics Express 23, 24833-24842 (2015) Navratil P., et al, Opto-Electronics Review, 26, 29-34 (2018) Aubrecht J, et al, Optics Express 25, 4120-4125 (2017)

10. Navrati P.l, et al, Laser Physics Letters, 14, 035102 (2017)

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

227