ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ СЛУЧАЙНЫЙ ЛАЗЕР НА ДЛИНУ ВОЛНЫ 976 НМ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОГО РЭЛЕЕВСКОГО ВОЛОКНА, ЛЕГИРОВАННОГО ИОНАМИ ИТТЕРБИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ СЛУЧАЙНЫЙ ЛАЗЕР НА ДЛИНУ ВОЛНЫ 976 НМ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОГО РЭЛЕЕВСКОГО ВОЛОКНА, ЛЕГИРОВАННОГО ИОНАМИ

ИТТЕРБИЯ

1* 2 13

Попов С.М. , Рыбалтовский А.А. , Ряховский Д.В. , Абрамов А.Н. , Умников А.А. , Медведков О.И. , Колосовский А.О. , Волошин В.В. , Воробьёв И.Л. 1, Липатов Д.С. 3, Чаморовский Ю.К. 1

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 Химии Высокочистых Веществ РАН ул. Тропинина 49, г. Нижний Новгород, Россия * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-188-189

Разработка мощных, узкополосных, волоконных лазеров, генерирующих в спектральном диапазоне длин волн около 0,98 мкм, представляет большой интерес в связи с перспективой их использования для решения ряда важных задач. Высокая потребность в таких лазерах наблюдается из области биомедицинских применений, поскольку длина волны 976 нм попадает в пик поглощения воды и цельной крови. По этой причине лазерное излучение с длиной волны 980±10 нм активно применяется в области микрохирургии, стоматологии, дерматологии, для лечения постоперационного воздействия [1,2]. В последнее время широко обсуждаются и исследуются пути замены громоздких объемных лазеров видимого и УФ диапазона на волоконные аналоги. В этом контексте волоконные лазеры, излучающие на длине волны 976 нм, крайне перспективны, так как удвоение частоты излучения (488 нм) позволяет предложить альтернативу лазеру на аргоне, получившему широкое распространение для медицинских применений [3], а получение четвертой гармоники (244 нм) -альтернатива эксимерному лазеру, крайне востребованному для записи волоконных брэгговских решеток (ВБР) [4], лежащих в основе большого количества полностью волоконных лазерных схем. По сравнению с газовыми или твердотельными лазерами, имеющими в составе резонатора объёмные элементы, волоконные лазеры отличает невысокая цена, компактность, надежность и простота эксплуатации.

Достаточно новым направлением исследований являются т.н. «случайные» волоконные лазеры. В таких лазерах обратная связь достигается за счёт рассеяния Рэлея, а усиление за счёт эффектов рассеяния Рамана [5] или ВРМБ [6]. Переход к использованию в качестве резонаторов случайных волоконных лазеров массивов волоконных Брэгговских решёток (ВБР) т.н. искусственных Рэлеевских волокон, записанных в процессе вытяжки оптического волна (ОВ) позволил получить компактные источники излучения (с длиной резонатора 5-20 метров). В работах [7 и 8] показаны схемы случайных лазеров, работающие в области длин волн 1550 нм (ОВ легировано ионами эрбия) и 1060 нм (ОВ легировано ионами иттербия).

Оптическая схема случайного волоконного лазера с резонатором на основе искусственного Рэлеевского ОВ легированного ионами иттербия на длину волны 976 нм [9] показана на рис. 1.

Накачка 907 нм

Выход

ВБР

90%

Изолятор

907/976 нм Искусственное

Рэлеевское волокно (легировано Yb)

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ

Заготовка с германо-фосфорсиликатной сердцевиной и легированной ионами иттербия была изготовлена методом MCVD. Запись массива выполняется во время вытяжки ОВ с помощью эксимерного УФ - лазера работающего на длине волны 248 нм. Для создания резонаторов на длины волн 976 нм использовалась фазовая маска с периодом 671,2 нм. Длина волны отсечки 900 нм. Внутренний диаметр ОВ - 6 мкм. Внешний диаметр ОВ - 125 мкм. Плотность записи массива ВБР -100%, т.е. массив ВБР полностью покрывал ОВ. Длина резонатора лазера - 8 метров (800 ВБР). Накачка выполнялась с помощью полупроводникового лазерного диода (QPhotonics QFLD-905-200S) на длине волны 907 нм. Дополнительная ВБР имела коэффициент отражения 90% на длине волны 976 нм (записана методом фемтосекундной записи). На рис. 2 показана частотная рефлектограмма образца ОВ с массивом ВБР. Измерения экспериментального образца выполнены на длине волны 1548 нм, что достигалось записью дополнительного образца с помощью фазовой маски с периодом 1070 нм. Контраст записи (превышение сигнала над уровнем Рэлея) - 50 дБ.

Рис. 2. OFDRрефлектограмма массива ВБР в иттербиевом ОВ (1=1548 нм, период маски 1070 нм) -плотность 50%.- слева Выходная мощность на 976 нм в зависимости от накачки на 907 нм) - справа

Линейная (slope) эффективность лазерной генерации на длине волны 976 нм достигает величины 33% (см. рис. 2). Режим работы лазера - непрерывный.

В ходе экспериментов была исследована зависимость выходных характеристик резонатора случайного лазера от его длины. Было показано, что с увеличением длины резонатора его дифференциальная эффективность сначала возрастает, достигая максимального значения (33 %) при длине порядка 5 метров, и остаётся на том же уровне при большей длине. В то же время, с увеличением длины «случайного» резонатора линейно растёт амплитуда флуктуаций мощности на выходе из лазера, что существенно ограничивает его применение в качестве источника опорного излучения.

Решить проблему повышения стабильности выходной мощности оказалось возможным с помощью добавления в схему резонатора одиночной брэгговской решётки со стороны, противоположной направлению ввода излучения накачки. При условии точного согласования длины волны отражения одиночной сильноотражающей брэгговской решётки и массива ВБР резонатора случайного лазера в нём значительно улучшается не только стабильность, но и лазерная эффективность

Данные лазерные источники излучения интересны для применения в биомедицине, микрохирургии и в лазерных системах большой мощности. Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 22-19-00511.

Литература

1. T.N. Aldelaimi, A.A.Khalil, Journal of Craniofacial Surgery 26, 1220-1223 (2015)

2. A. V. Belikov, M.L Gelfond, et al., Proc. of SPIE, 9542, 0J (2015)

3. K.F. Gibson, W.G.Kernohan, J. of Medical Engineering & Technology 17, 51-57 (1993)

4. M. Lancry, B.Poumellec, Physics Reports, 523, 207-229 (2013)

5. S. Turitsyn, S. Babin, A. El-Taher, et al., Nature Photon 4, 231-235 (2010)

6. A. Fotiadi, Nature Photon 4, 204-205 (2010)

7. S.M. Popov, et al., Results in Physics 16, 102868 (2020)

8. A. Rybaltovsky, S. Popov, et al., Fibers 53 (2021)

9. A. Rybaltovsky, S. Popov, et al., Photonics 9, 840 (2022)

25

Расстояние, мм

х ol..................

^ 20 30 40 50 60 70 80 90 100110

Мощность накачки, мВт