Временные и спектральные характеристики гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме гибридной синхронизации мод Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВРЕМЕННЫЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОЛЬМИЕВОГО ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА, РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМЕ ГИБРИДНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД

Филатова С.А.1 , Камынин В.А.1, Арутюнян Н.Р.1'2, Рыбин М.Г.1'2, Образцова Е.Д.1'2,

Цветков В.Б.1'3

1 Институт общей физики им. А М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва 2 Московский физико-технический институт (государственный университет), МФТИ, г. Долгопрудный 3Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва * E-mail: [email protected]

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16103

Компактные лазерные источники ультракоротких импульсов (УКИ), генерирующие излучение в спектральном диапазоне 2-3 мкм, представляют интерес как для научных, так и для прикладных задач. Такие источники могут быть использованы в качестве задающих генераторов (ЗГ) для объемных усилителей, а также для нелинейного преобразования частоты в область среднего инфракрасного (ИК) и террагерцового (ТГц) диапазонов. Кроме того, такие источники могут применяться для обработки материалов, лазерной локации, газоанализа, атмосферной связи и т.д. Среди оптических волокон на кварцевой основе наибольшие длины волн генерации позволяют получить световоды, легированные ионами гольмия (Но3+), обладающие широкой полосой усиления 2000-2200 нм [1]. Таким образом, разработка компактных гольмиевых волоконных лазеров, генерирующих УКИ, является актуальной задачей.

В большинстве работ, посвященным гольмиевым волоконным лазерам, генерирующим УКИ, режим синхронизации мод достигается за счет насыщающихся поглотителей, таких как: углеродные нанотрубки [2], графен [3], черный фосфор [4], металлические углеродные нанотрубки [5], полупроводниковые зеркала с насыщающимся поглотителем (SESAM) [6]. Кроме того, режим синхронизации мод в гольмиевом волоконном лазере был получен за счет нелинейного вращения плоскости поляризации (НВПП) [7], а также за счет добавления в схему с НВПП одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) [8], обеспечив тем самым гибридную синхронизацию мод.

В данной работе проведено сравнение различных методов получения синхронизации мод в кольцевом резонаторе гольмиевого волоконного лазера при одинаковых условиях, а также исследовано влияние уровня мощности накачки на временные и спектральные характеристики

лазерного излучения. Мы сравниваем следующие методы: НВПП; НВПП+ОУНТ; НВПП+графен.

Оптическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Накачка гольмиевого волоконного лазера осуществлялась через волоконный мультиплексор иттербиевым (Yb) волоконным лазером, генерирующим . _ непрерывное излучение на длине волны 1125 нм и

▼ Mv-п.типтск-соп мощностью до 8 Вт. Кольцевой резонатор лазера состоял

из активного гольмиевого волокна, длиной коло 4 м, и стандартного одномодового волокна, длиной около 6 м. Для реализации НВПП в резонатор лазера были добавлены волоконный поляризатор и пара контроллеров поляризации. Для получения гибридной синхронизации мод в схему добавлялись пленка с ОУНТ и графен, зафиксированные между двумя оптическими разъемами с угловой полировкой (FC/APC). Для выделения одного направления распространения генерируемого излучения использовался волоконный изолятор, работающий в области 2 мкм. Для вывода излучения из резонатора лазера использовался волоконный ответвитель с коэффициентом деления 9/1, который обеспечивал выведение 90% мощности. Схема гольмиевого волоконного лазера с синхронизацией мод за счет НВПП отличалась отсутствием пленки с ОУНТ и графена между оптическими разъемами. Значение внутрирезонаторной дисперсии составило -1.1 пс2.

В зависимости от типа синхронизации мод получены разные параметры лазерного излучения: центральная длина волны излучения варьировалась от 2040 до 2085 нм, средняя выходная мощность

Гольмиевое волокно

Мультиплексор 1125/2100 нм

Yb лазер 125 нм

Рис. 1. Экспериментальная установка

206

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

излучения от 5 до 15 мВт, длительность импульсов от 0.5 до 1.3 пс. Частота следования импульсов составила 20.5 МГц.

а)

? к= 3.07 Вт

I = 2080 им

0.01

FWHM = 4.2 им

2065

2072 2079 2086 209} Длина волны, нм

2100

б) Р = 3.25 Вт / нак 1 Д FWHM = 3 нм

3 1. -2079 нм / " /

I /

о Л Ь 0,1 о

т

и

■> |

I S 0,01 .fUrW, . . "Л Л 1 A il.

2065

2072 2079 2086 2093 Длина волны, нм

2100

-1 0 1 Время, пс

Рис. 2. а) Спектр излучения и АКФ при мощности накачки 3.07Вт, б) Спектр излучения и АКФ

при мощности накачки 3.25Вт

Также было исследовано влияние уровня мощности накачки на временные и спектральные характеристики лазерного излучения для гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме гибридной синхронизации мод за счет НВПП+ОУНТ. На рис. 2 представлены спектры излучения и автокорреляционные функции (АКФ) для разных значений мощности накачки.

Насыщающиеся поглотители на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена были изготовлены и охарактеризованы в рамках проекта № 18-42-130001 Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).

Литература

1. Hemming A., et al, Optical Fiber Technology, 20(6), 621-630 (2014)

2. Chamorovskiy A.Y., et al., Laser Physics Letters, 9(8), 602 (2012)

3. Sotor J., et al, Optics Letters, 41(11), 2592-2595 (2016)

4. Pawliszewska M, et al, Optics Express, 25(15), 16916-16921 (2017)

5. Pawliszewska M, et al, Optics express, 27(8), 11361-11369 (2019)

6. Tolstik N., et al, In Mid-Infrared Coherent Sources (pp. MM6C-4). Optical Society of America (2016, March)

7. Filatova S.A., et al, Laser Physics Letters, 13(11), 115103 (2016)

8. Filatova S.A., et al, JOSA B, 35(12), 3122-3125 (2018)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

207