ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ Er-Yb СВЕТОВОДЫ ДЛЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-46-47

ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ Er-Yb СВЕТОВОДЫ ДЛЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ

Лобанов А.С.1*, Липатов Д.С.1, Абрамов А.Н.1, Гурьянов А.Н.1, Рыбалтовский А.А.2, Базакуца А.П.2, Бутов О.В.2

'Институт химии высокочистых веществ им. Г.ГДевятых РАН, г. Н. Новгород

2Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва

E-mail: lobanov@ihps-nnov.ru

Создание волоконных лазерных источников узкополосного непрерывного излучения в диапазоне длин волн 1500-1600 нм представляет большой интерес для телекоммуникации, метрологии, спектроскопии, сенсорики. Общими недостатками большинства существующих одночастотных волоконных лазеров (ОВЛ) является проблема стабилизации длины волны, а также непрерывного режима генерации. Прогресс в данной области во многом зависит от успехов в области разработки активных световодов с оптимальным составом стекла сердцевины. Малая длина резонатора ОВЛ (несколько сантиметров), требует от световода наличия высокой концентрации ионов эрбия (Er3+) и одновременно минимальной степени их кластеризации. Ключевым элементом ОВЛ являются волоконные брэгговские решётки (ВБР), поэтому световод должен иметь также достаточную фоточувствительность. В настоящей работе на роль материала сердцевины выбран состав стекла Er2O3/Yb2O3/P2O5/SiO2. В фосфоросиликатной матрице ионы Yb3+ интенсивно поглощают излучение накачки (976 нм) и способны максимально эффективно (до 90 %) передавать энергию возбуждения ионам Er3+, исключая вероятность обратной передачи энергии [1]. Кроме этого, легирование стекла сердцевины Yb2O3 позволяет увеличить в нём концентрацию Er2O3 [2].

Заготовки световодов были изготовлены методом MCVD c осаждением всех компонентов стекла полностью из газовой фазы [3]. Исследован одномодовый световод (длина волны отсечки 0.95 мкм) световод (LD 557) с внешним диаметром 125 мкм и составом стекла сердцевины: 11 мол. % P2O5, 0.8 мол. % Yb2O3, 0.1 мол. % Er2O3. На рис. 1А представлен спектр оптических потерь световода в широком диапазоне длин волн 700-1700 нм. Низкий уровень «серых» потерь составил менее 40 дБ/км, что является признаком гомогенной структуры фосфоросиликатной матрицы и однородного распределения редкоземельных ионов в её объёме. Превышение концентрации ионов Yb3+ по сравнению с ионами Er3+ в 8 раз резко снизило вероятность нежелательного формирования из ионов Er3+ крупных кластерных элементов. Вследствие этого световод продемонстрировал довольно высокий коэффициент усиления 0.27 дБ/см по отношению к слабому сигналу (рис. 1В).

Рис. 1. Спектр оптических потерь (а) и коэффициент усиления слабого сигнала (в) в световоде LD 557

В световоде было исследовано фотопотемнение на длине волны 633 нм, уровень которого не превысил 13 дБ/м (рис. 2А). При таких значениях оценка предела наводимых в результате фотопотемнения потерь на длине волны накачки (976 нм) составляет менее 1 дБ/м, что исключает деградацию характеристик ОВЛ, имеющих резонатор длиной порядка нескольких сантиметров.

Предметом изучения стала также фоточувствительность световода к воздействию лазерного импульсного УФ излучения с длиной волны 193 нм. Величина фотоиндуцированного показателя преломления определялась по интенсивности пика ВБР, записанной через фазовую маску с помошью стандартной методики (рис. 2В). При этом достичь значений наведённого показателя преломления ~ 0.001, достаточных для формирования ВБР с коэффициентом отражения R > 99.9 %, удалось только в образцах световода, предварительно насыщенных молекулярным ^.

1

ф

С 10"

s о с; 0) а. с. Л

с; v

I-

л «

2 «г

о с

3

m я

10

г-46

/ -55 £ / 50 | _/* -65 О f -70 /

1525 1526 1527 1528 Я., нм (В) ......... .........

10

100

1000

Доза облучения, Дж/смг

Рис. 2. Динамика фотопотемнения на длине волны 633 нм (А) и зависимость наведенного показателя преломления от дозы облучения (В) световода LD 557. Рис 2В вставка: спектр пропускания ВБР

Экспериментальный ОВЛ с резонатором типа Фабри-Перо общей длиной 30 мм был создан путём записи высокоотражающей ^>99.9 %) и частично отражающей 94.3 %) ВБР в сердцевине активного световода на расстоянии 10 мм. Мониторинг спектра излучения лазера осуществлялся в течение 2 часов при фиксированной мощности накачки 280 мВт. В течение этого времени лазер генерировал стабильное непрерывное излучение с узким пиком на длине волны 1551.5 нм (рис. 3).

Рис. 3. Спектр излучения ОВЛ, изготовленного на отрезке световода LD 557 длиной ~30 мм

К наиболее перспективным улучшениям характеристик световода относится повышение концентрации активных ионов в сердцевине, а таже повышение фоточувствительности к УФ-излучению до уровня, позволяющего обойтись без предварительного насыщения ^ при записи ВБР. К настоящему времени изготовлены образцы Er-Yb фосфоросиликатных световодов с увеличенной концентрацией Er2Oз и Yb2Oз в сердцевине, дополнительно солегированной GeO2. Результаты исследований их оптических и лазерных свойств будут представлены на конференции.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 20-08-00822.

Литература

1. Melkumov M.A. et al, Inorganic Materials 46(3),299-303, (2010)

2. Kiritchenko N. V. et al, Laser Physics 25, 025102, (2015)

3. RybaltovskyAA. et al, JOSA B37(10), 3077-3083, (2020)