Исследование динамики поглощения из возбужденного состояния 5_I_7 ионов гольмия в кварцевых волокнах

Исследование динамики поглощения из возбужденного состояния ⁵I₇ ионов гольмия в кварцевых волокнах

Пресс-релиз публикации: Filatova S.A., Fale A.E., Kamynin V.A., Wolf A.A., Zhluktova I.V., Nanii O.E., Smirnov A.P., Babin S.A., Fedoseev A.I., Tsvetkov V.B., «Investigation of absorption dynamics from the excited state ⁵I₇ of holmium ions in optical silica-based fibers», Journal of Lightwave Technology. – 2023. – Vol. 41, No. 19. – P. 6400-6407. DOI: 10.1109/JLT.2023.3278534

Пресс-релиз в формате PDF

Волоконные лазеры, генерирующие излучение в двухмикронном спектральном диапазоне, находят широкое применение в научных и прикладных областях, а также сами являются предметом многих исследований. Среди волокон на кварцевой основе наибольшую длину волны генерации (до 2.2 мкм) позволяют получить волокна, легированные ионами гольмия (Но³⁺). Изучение спектроскопических свойств гольмиевых волокон необходимо для того, чтобы учитывать роль и характерные времена различных процессов, происходящих в активной среде, при разработке лазеров и в ходе численного моделирования.

Ранее, при регистрации сигнала обратного рассеяния в гольмиевом волокне было обнаружено поглощение излучения в несколько дБ/м в спектральном диапазоне сканирования оптического рефлектометра обратного рассеяния (1.525 – 1.61 мкм). Данный факт был подтвержден в ходе экспериментов по исследованию пропускания гольмиевого волокна длиной 2.65 м в широком спектральном диапазоне при разных уровнях мощности непрерывной накачки на длине волны 1.128 мкм. Как видно из рис. 1 (а), максимальное поглощение наблюдается на длине волны 1.64 мкм, а увеличение мощности накачки от 0.25 до 1.3 Вт приводит к увеличению поглощения с 9 до 30 дБ. На том же рисунке точками показаны значения поглощения узкополосного сигнала источника на длине волны 1.6 мкм, полученные путем численного моделирования.

Таким образом, в данной работе исследовано поглощение непрерывного и импульсного резонансного излучения с длиной волны 1.6 мкм при переходе из возбужденного состояния ⁵I₇ ионов гольмия в кварцевом волокне. Анализ экспериментальных и расчетных данных динамики поглощения для случая импульсной накачки гольмиевого волокна на длине волны 1.128 мкм и одновременного пропускания резонансного излучения на длине волны 1.6 мкм позволил определить неизвестное ранее значение сечения поглощения на переходе ⁵I₇→⁵I₅, равное 1.9×10^-21 см² (рис. 1 (б)). Это позволило корректно смоделировать процесс релаксации средней по длине волокна населенности уровня ⁵I₇ в присутствии непрерывного резонансного излучения на длине волны 1.6 мкм. Было обнаружено взаимное влияние характеристик гольмиевого волокна и резонансного излучения на длине волны 1.6 мкм. Это позволит управлять поглощением, изменяя накачку гольмиевого волокна. А изменяя мощность резонансного излучения на длине волны 1.6 мкм, возможно существенно влиять на характеристики активного гольмиевого волокна.

Полученные результаты могут использоваться для оценки степени влияния поглощения из возбужденного состояния ионов гольмия при распространении широкополосного излучения в волокнах, легированных данным редкоземельным элементом. Исследованный эффект открывает новые возможности для использования резонансного поглощения на переходе ⁵I₇→⁵I₅ в гольмиевых волокнах в качестве оптически управляемого аттенюатора или модулятора излучения на длине волны 1.6 мкм. Особый интерес представляет возможное использование излучения на длине волны 1.6 мкм для реализации импульсной генерации в гольмиевых волоконных лазерах без использования дополнительных оптических элементов, вносящих потери.

Работа проводилась сотрудниками ИОФ РАН (С.А. Филатова, А.Е. Фалэ, В.А. Камынин, И.В. Жлуктова, В.Б. Цветков) совместно с сотрудниками МГУ имени М.В. Ломоносова (О.Е. Наний, А.П. Смирнов, А.И. Федосеев) и ИАиЭ СО РАН (А.А. Вольф, С.А. Бабин). Для реализации данной работы авторами из ИОФ РАН были созданы все необходимые экспериментальные схемы, проведено экспериментальное исследование и описание процессов поглощения в гольмиевом волокне с использованием излучения иттербиевых и эрбиевых волоконных лазеров, а также волоконного источника суперконтинуума. Авторы из МГУ проводили численное моделирование поглощения на переходе ⁵I₇→⁵I₅ и сопутствующих процессов. Авторы из ИАиЭ СО РАН изготовили часть волоконных компонентов, необходимых для проведения экспериментов.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ на базе Научно-исследовательского центра мирового уровня «Фотоника» (соглашение № 075-15-2022-315).

Пресс-релиз подготовил старший научный сотрудник отдела колебаний ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук С.А. Филатова.

Рис. 1. (а) Спектральная зависимость потерь на поглощении в гольмиевом волокне при разных уровнях мощности непрерывной накачки на длине волны 1.128 мкм; точками показаны значения поглощения узкополосного сигнала на длине волны 1.6 мкм, полученные путем численного моделирования. (б) Динамика пропускания сигнала на длине волны 1.6 мкм для нескольких значений сечения поглощения на переходе ⁵I₇→⁵I₅ (точки ‒ экспериментальные данные). (Источник: Filatova S.A., Fale A.E., Kamynin V.A., Wolf A.A., Zhluktova I.V., Nanii O.E., Smirnov A.P., Babin S.A., Fedoseev A.I., Tsvetkov V.B., «Investigation of absorption dynamics from the excited state ⁵I₇ of holmium ions in optical silica-based fibers», Journal of Lightwave Technology. – 2023. – Vol. 41, No. 19. – P. 6400-6407. DOI: 10.1109/JLT.2023.3278534)