CC BY
20DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-136-137
ВИСМУТОВЫИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИИ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ДЛЯ СИСТЕМ УДАЛЕННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАЗОВ
Вахрушев А.С., Харахордин А.В., Алышев С.В., Фирстова Е.Г., Хегай А.М., Рюмкин К.Е., Мелькумов М.А., Фирстов С.В.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,
г. Москва E-mail: fir@fo.gpi. ru
Обнаружение следовых концентраций газа играет важную роль во многих приложениях, включая управление производственными процессами, мониторинг окружающей среды, безопасность и медицинскую диагностику. Оптическое зондирование (метод фотоакустической спектроскопии), основанное на принципах взаимодействия света и вещества, доказало превосходную чувствительность, избирательность и стабильность не только в лабораториях, но и в полевых условиях. В сочетании с оптическими волокнами сенсорные системы становятся еще более гибкими, надежными и невосприимчивыми к внешним воздействиям, например, оптические волокна позволяют упростить доставку луча от источника к чувствительной ячейке [1] или позволяют осуществлять многоточечное обнаружение газа [2]. Эти конфигурации особенно привлекательны в ближней инфракрасной области спектра, где могут использоваться компоненты, разработанные для телекоммуникационных систем, и где могут быть обнаружены многочисленные газы.
В этом отношении интерес вызывает диапазон от 1.64 до 1.75 мкм, где различные молекулы имеют вращательно-колебательные переходы, например, CH4 (1651 нм [1], 1653 нм [2]), C2H6 (около 1684 нм) [3], C3H6O (около 1690 нм) [4], HCl (1742 нм) [5]. Важно подчеркнуть, что для использования фото-акустической спектроскопии газов в данной спект-ральной области требуются
высокостабильные узко-полосные источники лазерного излучения. Однако основная проблема коммерчески доступных источ-ников такого типа заключается в их низкой выход-ной мощности (5-10 мВт), что существенно снижает чувствительность систем детектирования. Возмож-ным решением проблемы является создание воло-конно-оптических усилителей в указанной области для повышения выходной мощности. Наиболее подходящей активной средой для решения данной задачи являются висмутовые волоконные световоды с сердцевиной из высокогерманатного стекла, поскольку они способны обеспечивать оптического усиления в диапазоне длин волн 1.6 - 1.8 мкм [6].
В данной работе проведены поисковые исследования определения оптимальных параметров волоконно-оптического усилителя на основе висмутового световода с целью его применения для увеличения выходной мощности узкополосных источников. В качестве активной среды усилителя выступал отрезок волоконного световода с сердцевиной, изготовленной из ~50мол.% GeO2 - ~50 мол.% SiO2 с концентрацией висмута <0.02 ат.%. Диаметр сердцевины такого световода составлял около 2 мкм, отсечка второй моды - 1.15 мкм. Световод с внешним диаметром 125 мкм был вытянут со скоростью 60 м/мин из полученной методом MCVD (modified chemical vapor deposition)
Рис. 1 Спектр поглощения исследуемого световода
30
20
> 10
о
1550
-1500 нм
- - 1530 нм
1550 нм У"
- 1570 мм />' X
/1 .■ / /' -7 /1 ' *
/'
/ ' ■ i / ' ■ ■'
/ /
1600 1650 1700 Длина волны (нм)
1750
18(10
Рис. 2 Спектры оптического усиления для различных длин волн накачки
136
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
заготовки. Спектр
поглощения такого
световода представлен на Рис. 1. Обе наблюдаемые полосы поглощения на 1400 нм и 1650 нм принадлежат вис-мутовым активным цент-рам. При накачке в длин-
новолновую полосу поглощения можно получить оп-тическое усиление в спект-ральной области 1.6 - 1.8 мкм. Спектры оптического усиления слабого сигнала висмутового световода, измеренные при различных длинах волн накачки, показаны на Рис. 2. Видно, что уменьшение длины волны накачки, ожидаемо, приводит к увеличению ширины спектра усиления вплоть до 64 нм (/.р = 1500 нм).
Рис.3 Схема висмутового усилителя
а) б)
Рис. 4 Зависимости мощности выходного сигнала от мощности накачки для различных длин волн при
входной мощности сигнала: 0,5 мВт (а) и 6 мВт (б)
На Рис. 3 показана схема висмутового усилителя, собранного с использованием 50-м отрезка висмутового световода, оптического циркулятора (CIR), изолятора (ISO). Источниками накачки служили висмутовые и Er-Yb волоконные лазеры c выходной мощностью более 500 мВт, генерирующие излучение на длинах волн 1500, 1530, 1550 и 1570 нм. В качестве источника сигнала использовался висмутовый лазер, работающий на длине волны 1650 нм. Также проводились исследования с коммерчески доступным лазерным диодом, излучающим на длине волны 1650 нм (ширина линии генерации Av = 2 МГц) с мощностью 5 мВт. Измерение выходной мощности сигнала после усилителя осуществлялось с помощью измерителя мощности Ophir Nova II.
На Рис. 4 а,б показаны зависимости мощностей выходного сигнала на длине волны 1650 нм от введенной мощности накачки на различных длинах волн для мощностей сигнала 0,5 и 6 мВт. Видно, что оптимальная длина волны накачки соответствует 1500-1530 нм. В таком случае можно достичь около 30 мВт сигнала после усилителя при уровне входного сигнала 0.5 мВт и мощности накачки 1.5 Вт. Для большого сигнала выходная мощность составляла около 180 мВт (при прочих равных условиях). При увеличении длины волны накачки в обоих случаях происходит снижение эффективности работы усилителя, как и ожидалось (Рис. 2). Максимальная величина оптического усиления для обоих сигналов составляла около 16-18 дБ. Эффективность преобразования мощности накачки в сигнал висмутового усилителя для входного сигнала 6 мВт при мощности накачки 600 мВт достигала 11%.
Литература
1. Xia J. et al, Infrared Phys. Technol. 86, 194-201 (2017)
2. Tian X. et al, Sensors 19(4), 928 (2019)
3. Cheng G. et al, J. Spectrosc. 2018, 9765806 (2018)
4. Hancock G. et al, Anal. Chem. 86(12), 5838-5843 (2014)
5. Panu H. et al, Meas. Sci. Technol. 32, 055206 (2021)
6. Firstov S.V. et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24(5), 0902415 (2018)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
137
