CC BY
24ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИВАЕМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭФФЕКТ ПОСТЕПЕННОЙ ДЕГРАДАЦИИ МОДЫ В ИТТЕРБИЕВОМ
УСИЛИТЕЛЕ
*
Бобков К.К. , Бубнов М.М., Алешкина С.С., Лихачев М.Е.
Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва, Россия * E-mail: wittkoss@gmail.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16131
Создание активных световодов с большой площадью моды позволило поднять уровень пиковой мощности волоконных систем до уровня пиковой мощности, демонстрируемого твердотельными установками. В таких световодах, являющихся, по сути, маломодовыми, одномодовый режим работы осуществляется за счет различных механизмов подавления высших мод. Таким образом, изначально доля мощности усиливаемого сигнала присутствует в высших модах. В результате чего развитие различных негативных явлений может приводить к ухужшению качества выходного пучка. Одним из примеров является хорошо изученный эффект модовой нестабильности [1], приводящий быстрому изменению пространственного распределения интенсивности излучения на выходе световода (от фундаментальной моды к первой высшей) с частотой порядка нескольких килогерц. Кроме того, в случае иттербиевых систем недавно обнаруженный нами эффект постепенной деградации моды [2], приводит к плавному ухудшению качества выходного излучения в течение десятков и сотен часов. Оба эффекта вызваны тем, неодомодовость световода приводит к интерференции между фундаментальной и первой высшей модами, в результате чего из-за различных механизмов образуется длиннопериодная решетка показателя преломления, на которой происходит перекачка мощности излучения из фундаментальной моды в первую высшую моду. При этом, в случае эффекта модовой нестабильности данная решетка имеет термическую природу - в результате чего эффект обладает порогом и обратимостью. А в случае эффекта деградации моды, решетка образуется в результате изменения по длине световода количества наводимых центров окраски, вызванных эффектом фотопотемнения, которые отличаются стабильностью при нормальных условиях. В результате чего, эффект деградации моды характеризуется необратимостью (уменьшение мощности накачки не приводит к восстановлению фундаментальной формы моды) и большим временем наблюдения эффекта (десятки и сотни часов), зависящим от временной константы эффекта фотопотемнения. К настоящему времени, эффект деградации моды слабо изучен, что, в первую очередь, связано с большим временем его наблюдения.
В данной работе нами была исследована зависимость характерного времени деградации выходного излучения от энергии/пиковой мощности усиленного сигнала. Как было сказано выше, решетка наводится в результате эффекта фотопотемнения, характерное время которого зависит от матрицы стекла, в которую введены ионы иттербия [3]. Поэтому, с целью сокращения времени экспериментов, нами был создан маломодовый (длина волны отсечки 1800 нм) иттербиевый световод с большой площадью поля моды (диаметр сердцевины 20 мкм) с сердцевиной из алюмосиликатного стекла, характеризующегося сильной подверженностью эффекту фотопотемнения [3]. Для экспериментов была создана установка, состоящая из задающего генератора (длительность импульсов 245 пс, центральная длина волны 1028 нм, собственная частота 20.5 МГц), нескольких маломощных усилительных каскадов, акустооптического модулятора и финального каскада усиления, на основе описанного выше световода с вводом излучения многомодовой накачки в отражающую оболочку световода. Исследуемый световод наматывался на алюминиевую катушку диаметром 6 см и фиксировался на ней с помощью эпоксидного клея. С помощью акустооптического модулятора осуществлялось прореживание импульсов задающего генератора (частота повторения изменялась в диапазоне 2.05-20.5 МГц), с целью варьирования величины энергии импульсов. Также был проведен эксперимент, в котором в качестве задающего генератора использовался непрерывный лазер с центральной длиной волны 1030 нм. Во всех экспериментах средняя мощность усиливаемого сигнала на входе в финальный каскад составляла 100 мВт, а на выходе - 10 Вт. Во время экспериментов нами непрерывно регистрировалась мощность на выходе системы с помощью измерителя мощности, а также качество выходного излучения путем измерения параметра М2 c помощью коммерческой установки Thorlabs M2MS. Эксперименты проводились по два раза для каждого значения энергии.
На Рис. 2, а приведены данные для одного из экспериментов (частота следования импульсов 2.05 МГц, энергия 5.3 мкДж): на графике видно падение выходной мощности, что характерно для
260 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
эффекта фотопотемнения, и резкое ухудшение качества выходного излучения (увеличения параметра M2) в области 4 часов, с максимумом величины M в области 6 часов. На вставках приведено распределение интенсивности выходного излучения в нескольких точках временного интервала. Время, которое требовалось для наблюдения первой высшей моды, принималось нами за характерное время эффекта деградации моды. На Рис. 2, б приведен график полученной зависимости характерного времени эффекта деградации моды от величины энергии импульсов на выходе системы. Как видно из графика, снижение энергии импульса (за счет изменения частоты следования импульсов, при фиксированных средней мощности и длительности импульса) приводит к замедлению эффекта деградации моды. При этом эффект деградации моды наблюдается даже при усилении сигнала непрерывного источника. Значительный разброс точек вызван невозможностью повторения экспериментов при идентичных условиях, главным из которых является степень возбуждения высших мод.
Таким образом, впервые было проведено экспериментальное исследование зависимости эффекта модовой деградации от параметров лазерного излучения (в настоящем исследовании от энергии импульсов, имеющих одинаковую длительность 245 пс), которое показывает, что именно для импульсных систем с высокой энергией настоящий эффект имеет наиболее быстрое развитие.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
1
■3.0
-2.5
Q. I-
(D
2.0 S
со
-1.5
1.0
11 10
9 8
т 7 | 6
о. 5 DQ 4
3
2
1
0
(б)
Эксперимент Аппроксимация
0
1
2 3 4 5 6 7 Время, ч
Рис. 2. а) данные для эксперимента с энергией 3.42мкДж; б) сводные данные экспериментов
2 3 4 5 Энергия, мкДж
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 18-19-00687. Литература
1. Smith A., Smith J.J, Opt. Express 19, 10180-10192 (2011)
2. Бобков К.К., и др, Прикладная фотоника 2, 287-298 (2015)
3. Бобков К.К., и др, Квантовая электроника 44, 1129-1135 (2014)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
261
