CC BY
5ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ
УЗКОПОЛОСНЫЙ ЛАЗЕР СО СЛУЧАЙНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ, ЛЕГИРОВАННЫЙ ИТТЕРБИЕМ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 976 НМ
Давыдов Д.А. 1*, Рыбалтовский А.А. 1, Алешкина С.С. 1, Вельминский В.В. 1,
1 2 2 2 3
Лихачев М.Е. , Попов М.С. , Ряховский Д.В. , Чаморовский Ю.К. , Умников А.А. ,
Липатов Д.С.
1 Институт общей физики им. Прохорова Российской академии наук, Исследовательский центр волоконной
оптики им.Дианова, г. Москва, Россия
2 Институт радиотехники и электроники им. Котельникова (Фрязинский филиал) Российской академии наук,
пл. акад. Введенского, 141190, Фрязино, Московская область, Россия
3 Институт химии высокочистых веществ им. Девятых Российской академии наук, ул. Тропинина, 49, 603951,
Нижний Новгород, Россия * Е-mail: walpurgis-nacht@mail.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-196-197
Настоящая работа посвящена исследованию особенностей создания поляризованного узкополосного волоконного лазера (ВЛ) со случайно распределенной обратной связью (СРОС), легированный иттербием, на рабочей длине волны около 976 нм и анализу свойств лазеров такого типа.
Узкополосное излучение на данной длине волны может быть востребовано при создании высокостабильных одночастотных волоконных DFB иттербиевых, либо эрбиевых лазеров [1]. Более широкий круг применений открывается при удвоении (488 - 490 нм) [2] и учетвереннии (244 - 245 нм) [3] излучения таких лазеров. Стоит отметить, что существующие техники увеличения частоты непрерывного сигнала требуют использования строго узкополосного (в случае периодически полингованных кристаллов), либо вообще одночастоного излучения (при удвоении при помощи высокодобротных резонаторов Фабри-Перо) с мощностью в единицы и даже десятки Вт. К достоинствам лазеров со случайно распределенной обратной связью (ЛСРОС) можно отнести как раз способность генерировать чрезвычайно узкую спектральную линию < 6 кГц в непрерывном режиме [4, 5] и возможность использования самой активной среды для записи решеток, что позволяет существенно увеличить длину резонатора и, тем самым, кардинально повысить эффективность работы лазера.
По принципу сборки MOPA (master-oscillator, power amplifier), для создания «задающего» ЛСРОС была использована конструкция волоконного лазера, разработанная в работе [6], с использованием световодов сохраняющих поляризацию. Для усиления сигнала был собран однокаскадный полностью волоконный одномодовый усилитель аналогичный разработанному работе [7].
В рамках настоящей работы было проведено исследование влияния длины иттербиевого световода с записанным массивом волоконных брэгговских решеток (ВБР) на выходные характеристики лазера. Для этой цели Yb-световод длиной 3 м постепенно укорачивался и для каждой из длин измерялись спектры выходного сигнала, осциллограммы, polarization extinction ratio (PER), мощность и ее стабильности в течение нескольких минут. Основные результаты измерений продемонстрированы на Рис. 1а.
Рис. 1. а) Зависимость выходной мощности полезного сигнала (Psignal) на 976.2 нм, уровня УСЛ в области 976 нм (Pase976) и в области 1030 нм (Pase1030) и значения PER от длины Yb-световода; б) спектр регистрируемого излучения при длине Yb-световода 0.9 м
Помимо увеличения максимальной мощности излучения с ростом длины Yb-световода из-за увеличения доли поглощенной накачки, на отметке свыше 1 м существенно ухудшается PER, а в спектре выходного излучения - в длинноволновой области (976.5 нм) начинает проявляться дополнительный пик, приблизительно совпадающий с пиком отражения массива ВБРк для медленной
ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ
поляризации. Так же необходимо отметить рост усиленной спонтанной люминесценции (УСЛ) в области 976 нм при максимальной длине активного световода (3 м). В результате анализа осциллограмм лазера с длинной Yb-световода 3 м (Рис. 2а), наблюдалось на всем временном интервале большое количеством биений на разных частотах, что свидетельствовало о генерации большого количества собственных мод.
> 8 Е
ттшттттштт
О 2 4 6 8 10 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
time (sec) time (sec)
a) 6)
Рис. 2. Зарегистрированные по средствам осциллографа сигналы при длине Yb-световода
а) 3 м и при б) 0.9 м, соответственно
При уменьшении длины иттербиевого световода до 0.7 метров имеющейся мощности накачки не хватало для обеспечения устойчивой лазерной генерации, что приводило к резкому падению выходной мощности до уровня менее 1 мВт и росту нестабильности выходного излучения на порядок (вариации выходной мощности на протяжении 10 минут увеличились с 2% до 25%). Так же со временем наблюдались изменения длины волны генерации в пределах 0.1 нм.
В результате оптимальной является длина иттербиевого световода в диапазоне от 0.9 до 1 м - в этом случае получается приемлемо-высокая выходная мощность (около 4 мВт) и максимальной высокий PER (>20 dB). Наиболее оптимальным вариантом для сборки резонатора был выбран Yb-СРОС-световод с длиной 0.9 м, по причине большего расстояния между собственными продольными модами и, как следствие, увеличения степени стабильности по мощности ЛСРОС. Так же в этом случае наблюдается максимально стабильный спектр лазерной генерации (см. Рис. 1б) - в пределах погрешности измерения спектроанализатора положение линии не изменялось, а измеренная ширина линии была равна 0.02 нм - предельному разрешению спектроанализатора на данной длине волны. Результаты измерения осциллограмм для длины 0.9 м, показали, что изготовленный лазер в целом работает в квази-непрерывном режиме (Рис. 2б, "regime 1") - длительные (по несколько секунд) отрезки времени, когда наблюдается непрерывный одночастотный сигнал. Так же наблюдалась модуляция с частотой 100 МГц (Рис. 2б, "regime 2"), соответствующая биению между соседними модами резонатора. Ее спектральная ширина линии, померенная с помощью радиочастотного спектроанализатора с рабочим диапазоном частот от 10 Гц до 3,6 ГГц, составила 19 кГц. Таким образом, ширина линии самой одиночной продольной моды получалась довольно узкой (менее «19 кГц). Впоследствии после усилителя была получена выходная мощность сигнала более 1 Вт, а итоговая эффективность усиления составила 5.1%. Однако, при максимальной мощности появлялся существенный уровень усиленной УСЛ в области 976 нм.
Литература
1. Babin, S. A., Churkin, D. V., Ismagulov, A. E., Kablukov, S. I., & Nikulin, M. A. Single frequency single polarization DFB fiber laser. Laser Physics Letters, (2007), 4(6), 428-432
2. Tromberg, B. J., Sepaniak, M. J., Vo-Dinh, T., & Griffin, G. D. Fiber-optic chemical sensors for competitive bindingfluoroim-munoassay. Analytical Chemistry, (1987), 59(8), 1226-1230
3. Z. Burkley, A. D. Brandt, C. Rasor, S. F. Cooper, and D. C. Yost. Highly coherent, watt-level deep-UV radiation via a frequency-quadrupled Yb-fiber laser system. Aplied optics (2019), 58 (7), 1657-1661
4. S.M. Popova, O.V. Butov, A.P. Bazakutsa, M.Yu. Vyatkin, Yu.K. Chamorovskii, A.A. Fotiadi, Random lasing in a short Er-doped artificial Rayleigh fiber, Results in Physics 16 (2020) 102868
5. M.I. Skvortsov, S.R. Abdullina, A.A. Wolf, A.V. Dostovalov, etc. Single-frequency erbium-doped fibre laser with random distributed feedback based on disordered structures produced by femtosecond laser radiation. Quantum Electronics (2021), 51(12), 1051-1055
6. Andrey Rybaltovsky, Sergei Popov, Dmitry Ryakhovskiy etc. Random Laser Based on Ytterbium Doped Fiber with a Bragg Grating Array as the Source of Continuous-Wave 976 nm Wavelength Radiation. Photonics (2022), 9, 840
7. S.S. Aleshkina, D.S. Lipatov, T.A. Kochergina, V.V. Velmiskin, V.L. Temyanko, L.V. Kotov, T.L. Bardina, M.M. Bubnov, A.N. Guryanov and M.E. Likhachev, "All-fibre single-mode small-signal amplifier operating near 0.976 fim", Quantum Electronics, v.49(10), (2019), p.919
