CC BY
7ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ СЛУЧАЙНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ С РЕЗОНАТОРОМ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННЫХ РЭЛЕЕВСКИХ ВОЛОКОН, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
1* 2 3 3 1
Попов С.М. , Рыбалтовский А.А. , Базакуца А.П. , Смирнов А.М. , Ряховский Д.В. , Колосовский А.О. 1, Волошин В.В. 1, Воробьёв И.Л. 1, Исаев В.А. 1, Вяткин М.Ю. 1, Фотиади А.А. 4, Липатов Д.С. 5, Чаморовский Ю.К. 1, Бутов О.В. 3
1 Фрязинский филиал института Радиотехники и Электроники РАН пл. акад. Введенского 1, г. Фрязино, Россия 2 Институт общей физики им. Прохорова РАН ул. Вавилова 38, г. Москва, Россия 3 Институт Радиотехники и Электроники РАН ул. Моховая 11-7, г. Москва, Россия 4 Ульяновский Государственный университет ул. Льва Толстого 42, г. Ульяновск, Россия 5 Институт Химии Высокочистых Веществ РАН ул. Тропинина 49, г. Нижний Новгород, Россия * E-mail: sergei@popov.eu.org DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-211-212
Оптические волокна (ОВ) находят своё применение в различных отраслях науки и техники. Помимо использования ОВ в информационных системах (линии связи и волоконные датчики), также развивается использование ОВ в лазерных системах. Новым направлением развития лазерных систем стали т.н. случайные лазеры [1-2]. Данное направление стало предметом большого интереса для исследователей во всем мире в связи со способностью случайных волоконных лазеров генерировать свет с уникальными эксплуатационными характеристиками, не предъявляя жестких требований к оптическому резонатору. В таких лазерах усиление достигается за счёт эффектов комбинационного рассеяния [1] или рассеяния Мандельштама-Бриллюэна [2]. Ввиду того, что коэффициент рассеяния Рэлея крайне мал (он обеспечивает отражение), в таких случайных лазерах длина резонатора обычно составляет величину 10-100 км для ОВ типа SMF-28. Новые тенденции развития связаны с переходом к лазерам с резонатором на основе коротких искусственных рэлеевских оптических волокон (ОВ, содержащих массив волоконных брэгговских решёток - ВБР) [3-6]. Запись массивов ВБР также возможна в ОВ дополнительно легированных ионами редкоземельных материалов. Резонаторы таких лазеров представляют собой короткие куски германо-фосфорсиликатных ОВ слаболегированных ионами редкоземельных материалов (эрбия или иттербия) длиной 5-20 м (поглощение менее 20 дБ/км на длине волны 976 нм) полностью покрытые ВБР во время процесса вытяжки ОВ. Контраст записи (превышение обратного сигнала над уровнем Рэлея) достигает величины 50 дБ на 1550 нм. Это позволило создать лазерные источники излучения, работающие в непрерывном режиме с узкополосой генерации в диапазонах длин волн 976, 1060, 1550 нм [5, 7-8]. Типовая оптическая схема случайного волоконного лазера с резонатором на основе искусственного Рэлеевского ОВ показана на рис.1. Накачка выполняется с помощью полупроводникового лазерного диода, на длине волны поглощения легирующей примеси. Особенностью схемы является наличие дополнительной сильноотражающей ВБР для создания конфигурации полуоткрытого резонатора, которая записывается на длину волны генерации лазера.
Выход
Накачка | вбр
90%
„ -------Искусственное'! ■!
Изолятор Накачка „
Рэлеевское волокно
(легировано Бг или УЪ) Рис. 1. Оптическая схема компактного случайного лазера
В первом эксперименте использовалось волокно, легированное тииербием с длиной волны генерации 1060 нм. Накачка осуществлялась на длине волны 907 нм. Длина резонатора - 20 метров (2000 ВБР). Период фазовой маски 729,5 нм. Диаметр сердцевины/оболочки - 6/125 мкм. Длина волны отсечки - 900 нм.
Результаты измерения параметров лазерной генерации представлены на графиках на рис.2. Эффективность лазерной генерации достигает величины 32% на длине волны 1060 нм.
Рис. 2. Параметры лазерной генерации в иттербиевом «случайном» лазере.
Спектральная зависимость - слева. Зависимость выходной мощности от мощности накачки - справа
Кроме того была реализована схема случайного лазера в ОВ легированном ионами эрбия, работающего на длине волны 1548 нм с накачкой на длине волны 976 нм или 1485 нм (рис.3). Длина резонатора составляет величину - 6 метров (600 ВБР). Период фазовой маски 1070 нм. Эффективность лазерной генерации при длине волны накачки 976 нм составляет 33% на длине волны 1548 нм. Диаметр сердцевины/оболочки - 5/125 мкм. Длина волны отсечки - 900 нм.
Мощность накачки, мВт Частота, МГц
Рис. 3. Зависимость выходной мощности от мощности накачки - слева.
Измеренная ширина линии методом автогетеродинирования - справа
Данные компактные случайные волоконные лазеры способны работать при комнатной температуре в непрерывном режиме в течение длительного времени (не менее десятков минут), что крайне важно с точки зрения их использования в качестве волоконных источника высококогерентного оптического излучения. Данные лазерные источники излучения интересны для применения в телекоммуникационных системах, волоконно-оптических датчиков и в лазерных системах большой мощности. Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Работа Д.СЛ. в части изготовления заготовок поддержана РНФ пр. №22-19-00511. Работа А.А.Ф. в части характеризации полученной лазерной генерации поддержана Министерством науки и высшего образования РФ пр. №075-15-2021-581.
Литература
1. S.Turitsyn, S.Babin, A.El-Taher, et al., Nature Photon 4, 231-235 (2010)
2. Fotiadi, Nature Photon 4, 204-205 (2010)
3. И.А.Зайцев и др. Радиотех. Эл. 61, 602-608 (2016)
4. S.M.Popov, et al., Quantum Electron 51, 1101-1106 (2021)
5. S.M.Popov, et al., Results in Physics 16, 102868 (2020)
6. M.I.Skvortsov, A. A. Wolf, et al., Journal of Lightwave Technology 6, 1829-1835 (2022)
7. Rybaltovsky, S.Popov, et al., Fibers 53 (2021)
8. Rybaltovsky, S.Popov, et al., Photonics 9, 840 (2022)
