ВИСМУТОВЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА С МНОГОМОДОВОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ

ВИСМУТОВЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА С МНОГОМОДОВОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Умников А.А. 1*, Абрамов А.Н. 1, Лобанов А.С. 1, Афанасьев Ф.В. 1, Добрынин Д.С. 1, 2 2 2 2 2 Вахрушев А.С. , Алышев С.В. , Хегай А.М. , Фирстова Е.Г. , Харахордин А.В. ,

Рюмкин К.Е. 2, Мелькумов М.А. 2, Фирстов С.В. 2

1 ФГБУН Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г.Девятых Российской академии наук,

г. Н.Новгород, ул. Тропинина, 49 2 Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова,

г. Москва, ул. Вавилова, д. 38 * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-421-422

Волоконные лазеры обладают уникальными свойствами (высокой стабильностью выходной мощности, хорошим качеством пучка, простотой конструкции, компактностью и проч.), благодаря которым произошло интенсивное внедрение таких лазеров в различные области практического применения с вытеснением других разновидностей лазерных систем [1-3]. Одним из главных достижений в этом направлении стала разработка нового дизайна световода, а именно - оптического волокна с двойной отражающей оболочкой, что позволило отказаться от необходимости ввода излучения накачки в небольшую по размерам сердцевину одномодового световода. Основное изменение в такой конструкции связано с созданием дополнительного световедущего слоя (внутренняя кварцевая оболочка) за счет использования внешнего полимерного покрытия с более низким показателем преломления, чем у кварцевого стекла [4]. Использование световодов с двойной отражающей оболочкой привело к существенному прогрессу в области создания мощных волоконных лазеров, где накачка осуществлялась во внутреннюю оболочку коммерческими многомодовыми лазерными диодами.

Однако развитие направления, касающегося волоконных лазеров, связано не только с повышением выходной мощности, но и освоением новых спектральных областей. В настоящее время активно ведутся работы в области разработки висмутовых волоконных лазеров и усилителей, которые являются перспективными для получения лазерной генерации и усиления в широком диапазоне длин волн 1.1-1.8 мкм [5]. В зависимости от состава стекла сердцевины висмутовые световоды демонстрирует разные люминесцентные характеристики, и, в частности, световоды на основе GeO2-SiO2 стекла предназначены для области длин волн 1360-1500 нм. Вследствие низкой концентрации висмутовых активных центров (ВАЦ), для накачки висмутовых волоконных лазеров и усилителей до сих пор использовались одномодовые источники, что ограничивало как масштабирование мощности получаемых устройств, так и вариативность в выборе источника излучения. Это послужило мотивацией для проведения исследований, ориентированных на изучение возможности создания лазеров и усилителей на основе висмутовых световодов с двойной отражающей оболочкой.

Для этой цели в качестве активных сред были выбраны световоды, продемонстрировавшие ранее наибольшую эффективность (в конфигурации резонатора с накачкой по сердцевине) среди висмутовых световодов (Bi:(GeO2-SiO2) световоды) [5]. Преформы таких световодов изготавливались полностью газофазной MCVD технологией. В качестве прекурсора висмута использовался BiBr3, который термостатировался при температуре ~185 °С. В качестве газа-носителя использовался гелий. Газовые линии и ввод вращения нагревались до температуры около 200 °С для предотвращения преждевременного осаждения прекурсора. В процессе получения преформ были использованы опорные кварцевые трубы с внешним диаметром 25 мм и внутренним диаметром 21 мм. Процесс изготовления начинался с осаждения обратным проходом пористого слоя GeO2-SiO2 стекла. Далее этот слой остекловывался в потоке BiBr3. Таким образом осаждалось необходимое количество слоев в результате чего формировалась сердцевина с необходимым профилем распределения показателя преломления [6]. На следующем шаге производилось схлопывание трубки с осажденными слоями в потоке кислорода и CCl4 для снижения концентрации OH-групп. Для уменьшения центрального провала перед окончательным сжатием преформы производилось травление с использованием фторсодержащего прекурсора (C2F3Cl3).

Из изготовленных преформ производилась вытяжка одномодовых световодов в полимере c показателем преломления n=1.396. На рис. 1 показаны спектральные зависимости коэффициента поглощения полученного световода, измеренные по сердцевине и по оболочке методом cut-back. В обоих случаях можно наблюдать наличие полосы поглощения около 800 нм, что свидетельствует о

ВКВ0-202 3 СТЕНДОВЫЕ

возможности эффективного поглощения излучения накачки висмутовыми активными центрами [6]. Поэтому в качестве источника накачки использовались многомодовые диоды на ^=808 нм. Для повышения поглощения излучения накачки по оболочке изготавливались световоды с внутренней оболочкой квадратного сечения и увеличенным соотношением размера сердцевины к внутренней оболочке при сохранении одномодового режима. В световоде с конструкцией отражающей оболочки, имеющей квадратное сечение, поглощение было на 20% выше, чем у световодов с круглой оболочкой [7]. На рис. 2 приведена зависимость выходной мощности лазера от мощности накачки, полученная для одного из разработанных световодов с квадратным сечением. Максимально достигнутая мощность таких лазеров пока относительно невысока - около 270 мВт при дифференциальной эффективности устройства ~4%. Несмотря на это, существует ряд потенциальных возможностей для оптимизации таких резонаторов, которые в дальнейшем будут реализовываться. Следует отметить, что подобные конфигурации ввода излучения накачки могут использоваться и в оптических усилителях [8]. В этом случае параметры усиления, которые можно достичь, практически не отличаются от таковых для усилителей с накачкой по сердцевине.

in

с[

(U s т

0) ?

о

Е о ¡Z

100

10.

0,30

0,1,

0,01

400 600 800 1000 1200 1400 1600

Длина волны, нм

Рис. 1 Зависимости поглощения в висмутовом световоде с германосиликатной сердцевиной, измеренные по сердцевине (а) и по оболочке (б)

m

ш" о. ш

оо

га ц

л ь о о

X

о

к га х

сг

О

х

■D

ш

0,25-

0,20-

0,15-

0,10-

0,05-

0,00-

Поглощенная мощность накачки, Вт Рис. 2 Зависимости выходной мощности висмутового лазера, излучающего на длине волны 1460 нм, от поглощенной мощности накачки для различных длин активного световода

Таким образом, полученные результаты показывают, что легированные висмутом германосиликатные световоды в сочетании с технологией накачки по внутренней оболочке могут использоваться в качестве активных сред для лазеров и усилителей, работающих в Е- (1360-1460 нм) телекоммуникационном диапазоне, с многомодовой диодной накачкой.

Данное исследование было выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант 22-19-00708).

Литература

1. Jauregui C., Limpert J., Tunnermann A., High-power fibre lasers // Nature Photonics, 2013, 7(7), pp. 861-867

2. Zervas M.N., Codemard C.A., High power fiber lasers: A review // IEEE Journ. Selected Topics in Quant. Electron., 2014, 20(5), pp. 219-241

3. Nilsson J., Payne D.N., High-power fiber lasers // Science, 2011, 332(6032), pp. 921-922

4. Snitzer E., et al., Double clad, offset core Nd fiber laser // Proc. of the Conference of Optical Fiber Sensors, New Orleans, USA, 27 Jan 1988, PD5

5. A.M.Khegai, et al., Recent advances in Bi-doped silica-based optical fibers: A short review // Journal of Non-Crystalline Solids: X, 100126, 16, 2022

6. A.S. Vakhrushev, et al., W-type and Graded-index bismuth-doped fibers for efficient lasers and amplifiers operating in E-band // Optics Express, 30(2), 2022, pp. 1490-1498

7. Vakhrushev, et al., Double-Clad Bismuth-Doped Fiber with a Rectangular Inner Cladding for Laser Application // Photonics, 9(11), 2022

8. Vakhrushev, et al., Cladding pumped bismuth-doped fiber amplifiers operating in O-, E-, and S-telecom bands // Optics Letters, 2023, 48(6), pp. 1339-1342