ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ С ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ОКСИДА ИТТЕРБИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-56-57

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ С ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ОКСИДА ИТТЕРБИЯ

Абрамов А.Н.1*, Липатов Д.С.1, Лобанов А.С.1, Гурьянов А.Н.1,

2 2 2 Заушицына Т.С. , Бобков К.К. , Лихачев М.Е.

'Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Н. Новгород 2Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,

г. Москва E-mail: [email protected]

Высоколегированные Yb2O3 световоды представляют большой интерес в области разработки одночастотных волоконных лазеров, лазеров с синхронизацией мод и высокой частотой повторения, а также импульсных лазеров с высокой пиковой мощностью. Для всех этих применений требуется короткая длина активного световода и следовательно, высокая концентрация активной добавки. В качестве материала сердцевины световодов выбраны стекла 3 систем: F-Al2O3-SiO2 (FAS), Al2O3-P2O5-SiO2 (APS) и P2O5-SiO2 (PS). Показатель преломления FAS и APS стекол равен или даже ниже, чем у кварцевого стекла, что позволяет изготавливать LMA (large mode area) световоды и достигать высоких пиковых мощностей. PS матрица является лучшей для изготовления Er-Yb световодов (эффективная передача возбуждения от Yb к Er), где также требуется максимально возможная концентрация Yb2O3, а также для изготовления Yb-световодов (отсутствие эффекта фотопотемнения). Цель работы заключалась в определении концентрационного предела вхождения Yb2O3 во все 3 матрицы.

Преформы световодов были изготовлены оригинальной MCVD методикой с раздельным осаждением слоя матрицы и слоя Yb2O3. Была изготовлена серия Yb-FAS световодов (1.5-3 мол% Al 2O3 и 1-5 мол% Yb2O3), серия Yb-APS световодов (суммарно 3-18 мол% Al2O3 и P2 O5, 0.152.6 мол% Yb2O3) и серия Yb-PS световодов (11-14 мол% P2O5, 1.7-2 мол% Yb2O3). Одним из факторов, ограничивающих концентрацию иттербия в световодах, является рост оптических потерь на рассеяние вследствие выделения в стекле второй фазы, обогащенной ионами иттербия. Как видно из Рис. 1, заметный рост минимальных потерь в Yb-FAS световодах наблюдается только при сверхвысокой концентрации Yb2O3 (4.5 мол%), втрое превышающей содержание Al2O3. Иная ситуация наблюдается для Yb-APS световодов, в которых уровень минимальных оптических потерь меняется скачкообразно, с уровня 0,01 до > 1 дБ/м при увеличении концентрации Yb2O3 выше критического уровня, который линейно растет (Рис. 2) с увеличением концентрации AlPO4 (2AlPO4 = 1Al 2O3+1P2O5). Следует отметить, что FAS и APS стекла с концентрацией Yb2O3, близкой к предельной, становились непрозрачными в преформе, что свидетельствует о наличии кристаллической фазы в стекле. Структурные исследования образцов показали, что процесс ликвации Yb-APS стекол сопровождается образованием кристаллов YbPO4 (tra > 1950 °C) и кристобалита (1713 °С), а в случае Yb-FAS стекол источником высокого рассеяния являются кристаллы Yb2Si2O7 (1775 °С).

Рис. 1. Зависимость минимальных оптических потерь в Yb-FAS световодах (1.5 мол% Al2O3) от концентрации Yb2O3

Рис. 2. Граничная кривая между соотношением концентраций легирующих добавок в Yb-APS световодах с низкими оптическими потерями

В условиях вытяжки (нагрев свыше 2000 °С и быстрое охлаждение) кристаллы Yb2Si2O7 и кристобалита полностью исчезают, в то время как тугоплавкие кристаллы YbPO4 частично сохраняются в световоде, вызывая резкий рост оптических потерь. Состав Yb-PS световодов был ориентирован на их практическое применение, поэтому были исследованы стекла с одновременно максимально высокой концентрацией P2O5 и Yb2O3. Так, при одной и той же концентрации P2O5 13°-°14°мол% уровень минимальных потерь в световоде не превысил 12 дБ/м при содержании ~1.89°мол% Yb2O3, в то время как в световоде с концентрацией Yb2O3 2.07 мол.% уровень потерь увеличился на 3 порядка. Резкий рост потерь, как и в случае Yb-APS световодов, объясняется наличием кристаллической фазы YbPO4 в сердцевине Yb-PS световодов. Отсутствие тугоплавких кристаллов в случае Yb-FAS световодов объясняет относительно низкий уровень потерь при экстремально высокой концентрации Yb2O3.

Проведены исследования усилительных свойств разработанных световодов. Впервые было обнаружено, что несмотря на относительно низкие потери (менее 50 дБ/км на 1150 нм) FAS и APS световоды содержащие ~ 2 и более мол% Yb2O3 практически утрачивают способность усиливать сигнал, что на наш взгляд может быть связано с эффектом концентрационного тушения люминесценции. Таким образом, впервые обнаружено, что низкие оптические потери в Yb-световодах не гарантируют получение генерации. Тем не менее, в области рекордно высоких концентраций 1.2-1.5 мол% Yb 2O3 световоды демонстрируют высокую эффективность преобразования накачки в сигнал. На рис. 3 приведены данные световода LD 604, активные свойства которого были протестированы в схеме усилителя с накачкой по сердцевине (500 мВт на 976 нм), попутно распространяющейся вместе с сигналом (10 мВт на 1030 нм).

Рис. 3. Профиль показателя преломления (Л), анализ стекла сердцевины (B) и спектр оптических потерь

(С) в Yb-ЛPS световоде LD 604 Зависимость мощности накачки и сигнала от длины световода приведена на рис. 4, а на рис. 5 представлена зависимость мощности усиленного сигнала от введенной мощности накачки при оптимальной длине световода. Максимальная эффективность в усилителе достигает 69% при длине световода всего 7 см, а сокращение длины световода почти вдвое до 3.7 см позволяет сохранить высокую эффективность преобразования накачки в сигнал на уровне 65% и коэффициент усиления ~ 15 дБ, что достаточно для большинства применений. Насколько нам известно, это рекордно короткая длина усилителя, о которой когда-либо сообщалось для световодов на основе 8Ю2. Кроме того, относительно низкая Дп в световоде (0.011) и низкий уровень фотоиндуцированных потерь (нескольким дБ/м на 1030 нм), открывают большие перспективы в создании коротких ЬМЛ УЬ-ЛР8 световодов с пьедесталом. Усилительные свойства УЬ-Р8 световодов в настоящее время тестируются, результаты будут представлены на конференции.

400

(й г

3

4 юо

сигмап (1030 пгп) накачка (976 пгт>)

...

10

20 30 40

Длина сэстовода. см

5

е

9 200

L=7 см

" Сигнал (А"1030 нм. Р=10 мВт)

69%

100 200 300 400 500

Мощность накачки О =976 нм), мВт

Рис. 4. Зависимость выходной мощности сигнала и накачки от длины световода LD 604

Рис. 5. Зависимость мощности усиленного сигнала от мощности введенной накачки при оптимальной длине световода LD 604

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 20-19-00347