CC BY
21УСИЛИТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ С ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ (100 Вт) И ПИКОВОЙ (1 МВт) МОЩНОСТЬЮ НА ОСНОВЕ ИТТЕРБИЕВОГО СВЕТОВОДА-КОНУСА
1 * 1 1 1 1 Бобков К.К. , Левченко А.Е. , Вельмискин В.В. , Кочергина Т.А. , Алешкина С.С. ,
Бубнов М.М.1, Липатов Д.С.2, Лаптев А.Ю.2, Гурьянов А.Н.2, Лихачев М.Е.1
1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва, Россия
2Институт Химии Высокочистых Веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород, Россия
* E-mail: wittkoss@gmail.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16128
В настоящее время все больший интерес привлекают применения лазеров ультракоротких импульсов для обработки материалов. В данном случае критически важным является одновременное достижение относительно короткой длительности импульса (от десятков фемтосекунд до десятков пикосекунд) и большой энергии в импульсе. Что обеспечивает модификацию, либо испарение материала в зоне фокусировки лазерного излучения без повреждения соседних областей. Дополнительным требованием промышленности к таким лазерам является высокая частота следования импульсов (а следовательно - и высокая средняя мощность), для того, чтобы увеличить скорость обработки материалов.
В настоящее время иттербиевые импульсные лазеры являются наиболее перспективными для решения таких задач. Лазеры строятся по схеме задающий генератор - усилитель мощности, при этом если схема генерации импульсного излучения достаточно хорошо отработана в настоящее время, то создание усилителя импульсов пикосекундной длительности с большой средней и пиковой мощностью является нетривиальной задачей. Увеличение пиковой мощности ограничено развитием ряда нелинейных эффектов (фазовая самомодуляция, вынужденное комбинационное рассеяние, четырехволновое смешение), приводящих, например, к порче пространственной и спектральной формы импульса. Увеличить порог нелинейных эффектов можно лишь используя световоды с большой площадью поля моды, то есть с увеличенным диаметром сердцевины до десятков-сотни рабочих длин волн. Такие световоды, по сути, являются маломодовыми, а одномодовый режим работы в них реализуется за счет различных механизмов потерь высших мод или селективного возбуждения фундаментальной моды. Так, при селективном возбуждении фундаментальной моды использование световода-стержня с диаметром сердцевины 100 мкм позволило усилить импульсы длительностью 3 пс до 0.9 МВт пиковой мощности и 130 Вт средней мощности [1]. Однако дальнейшее увеличение средней мощности было ограничено появлением эффекта модовой нестабильности: образование термически-индуцированной решетки, вызванной интерференцией фундаментальной и первой высших мод, на которой излучение из фундаментальной моды рассеивается в первую высшую моду и обратно с частотой порядка нескольких кГц при превышении некоторого порога средней мощности [2]. В то же время существует альтернативная конструкция световода с большой площадью поля моды: так называемые, световоды-конусы, в которых излучение сигнала распространяется от абсолютно одномодового входного конца к сильно многомодовому выходному концу. Между концами диаметр сердцевины плавно увеличивается, за счет чего излучение распространяется в фундаментальной моде, увеличивающейся в диаметре, без возбуждения высших мод [3]. Усиление в чисто одномодовом режиме, теоретически, должно позволить создать усилитель с одновременно большой средней и пиковой мощностями, превосходящими результаты, продемонстрированные с использованием упомянутого выше световода-стержня.
В настоящей работе демонстрируется усилитель на основе иттербиевого анизотропного световода-конуса с общей длиной 2.45 м и диаметром сердцевины на входе и выходе 9 и 46 мкм, соответственно (Рис. 1). Установка реализована по классической схеме усилителя мощности задающего генератора: 6 пс импульсы с центральной длиной волны 1064 нм и частотой следования 9.2 МГц генерировались коммерчески доступным генератора фирмы Fianium ltd., предусиливались в маломощном волоконном каскаде до средней мощности 17 мВт при длительности 8 пс и вводились по средствам сварки в тонкий конец световода-конуса. Излучение накачки от многомодового диода с центральной длиной волны 976 нм и апертурой 0.15 вводилось в световод-конус с помощью системы линз и дихроичных зеркал навстречу усиливаемого сигнала.
В используемом световоде-конусе удалось усилить импульсы до средней мощности 96 Вт, что при измеренной длительности 8.3 пс соответствует пиковой мощности 1.2 МВт. Из спектра сигнала на максимальной мощности (Рис. 2, а) видно, что первая стоксовая компонента вынужденного
256 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
комбинационного рассеяния только начала появляться. Таким образом, уровень средней мощности был ограничен имеющимся источником накачки. Эффективность преобразования накачки в сигнал составила 66% (Рис. 2, б). Из автокорреляционных кривых (Рис. 2, в) видно, что импульс лишь незначительно уширился (с 8 до 8.3 пс), а нелинейный режим усиления (сильное спектральное уширение за счет фазовой самомодуляции) привел к ухудшению формы импульса. При максимальной выходной мощности лазера эффекта модовой нестабильности нами не наблюдалось.
Таким образом, в работе демонстрируется большой потенциал иттербиевых световодов-конусов в плане достижения одновременно высоких средней и пиковой мощностей.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №18-19-00687.
1.0 1.5 Длина, м
Рис. 1. Изменение диаметров сердцевины и оболочек по длине световода-конуса и фотография сечения
световода -конуса
0 -г
-10 -
? 20 -
in
n
с
п> -30 -
о
А0-
-50 -
-60-
(а)
-До конуса - После конуса 96Вт
1000 1025 1050 1075 1100 1125 1150 Длина волны,им
•
• Сигнал
Аппроксимация!
У / (б)
/ /
/
» Диф. Эфф. = 66%
/
х
•
20 40 60 80 100 120 140 160 180 Мощность накачки @ 976 нм, Вт
До конуса После конуса 96Вт
Рис. 2. а) спектр сигнала до и после световода-конуса, б) зависимость выходной мощности сигнала от мощности накачки, в) автокорреляционные функции импульсов до и после световода-конуса.
Литература
1. Zhao Z. et al, JOSA B 31, 33-37 (2014)
2. Smith A., Smith J.J, Opt. Express 19, 10180-10192 (2011)
3. Kerttula J. et al, Opt. Express 20, 25461-25470 (2012)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
257
