Висмутовые волоконные лазеры с накачкой по оболочке, излучающие в области длин волн 1.4–1.5 мкм Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

SSjmSS 18-20 октября 2022 г

ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

Висмутовые волоконные лазеры с накачкой по оболочке, излучающие в области длин волн 1.4—1.5 мкм

Вахрушев А.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: as. vahrush@yandex. ru

DOI: 10.24412/cl-35673-2022-1-7-10

Хорошо известно, что висмутовые световоды можно использовать в качестве активных сред для лазеров и усилителей, работающих в ближнем ИК диапазоне, даже в тех областях, где отсутствуют эффективные световоды, легированные редкоземельными ионами [1]. Однако низкие концентрации висмута в таких световодах вынуждали осуществлять накачку лазеров в сердцевину активного световода с помощью одномодовых источников излучения, возбуждая висмутовые центры непосредственно на верхний лазерный уровень (квази-трёхуровневая схема генерации) [2]. По этой причине существенным образом снижается возможность масштабирования выходной мощности таких лазеров.

В данном исследовании будут представлены результаты по разработке первых в мире висмутовых лазеров с накачкой в оболочку излучением многомодовых лазерных диодов, излучающих на длине волны 808 нм. Важным преимуществом такого типа лазеров по сравнению с лазерами, накачиваемыми в сердцевину активного световода, является возможность ввода излучения (с помощью доступных объединителей излучения) одновременно от нескольких диодов накачки, позволяя достигать мощностей 1 кВт и более.

Первый висмутовый волоконный лазер с накачкой в оболочку был реализован на основе световода с сердцевиной из легированного <0.02 ат.% висмута «50 мол.% GeO2 — «50 мол.% SiO2 стекла, в котором формировались висмутовые активные центры, ассоциированные с кремнием (ВАЦ-Si). Диаметр сердцевины такого световода составлял «8 мкм, отсечка второй моды - 1.35 мкм.

МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ

ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

Висмутовый световод был вытянут в полимерном покрытии, имеющем более низкий показатель преломления (1.394), чем у кварцевого стекла, что позволяло сформировать световедущую структуру во внутренней кварцевой оболочке световода. Спектр поглощения по оболочке висмутового световода, измеренный методом облома, представлен на Рис. 1(а), где можно наблюдать полосу с максимумом на длине волны 820 нм, принадлежащую ВАЦ-Si с энергетическими уровнями, приведенными на вставке Рис. 1(а).

На Рис. 1(б) представлена схема висмутового лазера с накачкой в оболочку. Для ввода излучения накачки в активный световод ^ = 200 м) использовался коммерческий многомодовый объединитель накачки и сигнала (2+1)*1. Для устранения непоглощённой мощности накачки в схему встраивалось устройство для вывода оболочечных мод. Исследование работы лазера было проведено в различных конфигурациях резонатора, где обратная связь обеспечивалась зеркалами М1 и М2 в виде сколотого под прямым углом торца световода, волоконной брэгговской решётки (ВБР) или широкополосного зеркала Саньяка. „„„Е 2

Рис. 1. Спектр оптических потерь в оболочке исследуемого висмутового световода (а) (вставка — схема уровней ВАЦ^) и схема висмутового волоконного лазера с накачкой в оболочку (б).

В конфигурации 1 в качестве обоих зеркал использовались сколотые под прямым углом торцы световодов, обеспечивающие 4 % отражение (режим свободной генерации). Длина волны генерации в таком случае была 1430 нм и определялась спектральным положением максимума коэффициента усиления. Зависимость выходной мощности лазера от мощности накачки представлена на Рис. 2. Видно, что увеличение мощности накачки приводит изначально к росту мощности генерации с последующим

0.00

500 600 700 800

Длина волны,нм [Д)

(б)

ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

-------------1Е НЕДЕЛИ»

18-20 октября 2022 г.

.0,15

н

СО

л 0,12

I-

о о

0,09

к 0,06

га т

§0,03 ><

J]

СО

0,00

3% _

■

✓ Яг*'

У ^

/У

2 4 6 8 Поглощенная мощность (Вт)

Рис. 2. Зависимость выходной мощности генерации от поглощенной мощности накачки для различных конфигураций лазера (1 - треугольники; 2 - квадраты; 3 - кружки)

стремлением её к насыщению.

Дифференциальная эффективность такого лазера по начальному участку составила около 1 %. В конфигурациях лазера 2 и 3 с ВБР в качестве глухого зеркала (М1), длина волны генерации составляла 1460 нм, где обеспечивался требуемый коэффициент

отражения, близкий к 100 %. В конфигурации 2 с выходным зеркалом в виде торца световода была достигнута заметно лучшая эффективность ~3 % (Рвых ~ 140 мВт), тогда как в более закрытом резонаторе

(конфигурация 3 с М2 в виде зеркала Саньяка с отражением ~20-30 %) эффективность лазера составила 2 %. Нелинейный вид полученных зависимостей может быть объяснен с помощью схемы энергетических уровней (Рис. 1(а), вставка). Видно, что схема получения лазерной генерации с использованием многомодовых источников излучения на 808 нм является трёхуровневой. В таком случае накачка ВАЦ-Si осуществляется на верхний уровень, с которого происходит преимущественно их спонтанный переход на верхний лазерный уровень, а затем вынужденно на нижний (основной) лазерный уровень. Эффект насыщения выходной мощности объясняется относительно долгим временем спонтанного перехода ВАЦ-Si с вышерасположенного уровня на верхний лазерный уровень, что заметным образом начинает сказываться при больших мощностях накачки. В заключение хотелось бы также отметить, что эффективность лазеров такого типа может быть заметным образом улучшена оптимизацией конструкции лазера, созданием нового дизайна активного световода (с радиально-несимметричной формой внутренней оболочки) и др.

Автор выражает благодарность научному руководителю, д.ф.-м.н. Фирстову С.В. за постановку научной задачи и обсуждение результатов.

ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

1. Dianov E. Light Sci. Appl. 2012, 1, e12.

2. Firstov S.V., Khopin V.F., Bufetov I.A. et al. Opt. Express 2011, 19, 19551-19561.