Лазерные характеристики ультракороткого резонатора Фабри-Перо на основе фоточувствительного Er-Yb многокомпонентного волокна с силикофосфатной сердцевиной
Лазерные характеристики ультракороткого резонатора Фабри-Перо на основе фоточувствительного Er-Yb многокомпонентного волокна с силикофосфатной сердцевиной
Пресс-релиз публикации: A.A. Rybaltovsky, A.P. Bazakutsa, B.I. Denker, O.N. Egorova, S.E. Sverchkov, V.V. Velmiskin. «Lasing features of the ultra-short Fabry–Perot cavity on the basis of a photosensitive Er/Yb-doped multimaterial fiber with a silicophosphate core» Journal of the Optical Society of America B. – 2023. – Vol. 40, No. 5. – P. 1182-1186. DOI: 10.1364/JOSAB.486728
В работе описан одночастотный волоконный лазер на основе разработанного и изготовленного в ИОФ РАН композитного оптического волокна, активированного ионами эрбия (Er3+) и иттербия (Yb3+). Такие композитные (с сердцевиной на фосфатной основе и с кварцевой оболочкой) волокна сочетают достоинства фосфатных волоконных световодов (высокий уровень легирования редкоземельными ионами, эффективная лазерная генерация в системе Er-Yb) и кварцевых волоконных световодов (механическая прочность, влагостойкость, минимальные потери при сварке со стандартными кварцевыми волокнами). Еще одним достоинством волокна, созданного в рамках данной работы, стала повышенная фоточувствительность, позволившая записывать в нем брэгговские решетки показателя преломления с помощью стандартной методики УФ облучения сердцевины через фазовую маску. Фоточувствительность обеспечивалась новым оригинальным методом – введением в состав стекла сердцевины ионов гадолиния (Gd3+), обладающих интенсивными полосами поглощения в УФ части спектра.
Представленный в работе одночастотный лазер имел короткий резонатор типа Фабри-Перо, изготовленный целиком на отрезке активного композитного волокна. Функцию зеркал-отражателей в этом резонаторе выполняли согласованные по длине волны отражения Брэгговские решётки. Для записи Брэгговских решёток использовалась разработанная в НЦВО ИОФ РАН установка на базе эксимерного ArF лазера, генерирующего импульсное УФ-излучение с длиной волны 193 нм. Ранее для записи Брэгговских решёток в композитных волокнах нами использовалось излучение фемтосекундного лазера, однако при этом в облучённых областях волокна наводились дополнительные оптические потери. Лазеры с такими решётками имели невысокую эффективность. Использование УФ излучения вместо фемтосекундного позволило устранить источник внутрирезонаторных потерь, связанных с записью решёток.
Благодаря высокому содержанию ионов эрбия и иттербия в сердцевине волокна, обеспечивалось усиление на 0,45 дБ/см на длине волны излучения лазера (~ 1550 нм), что позволило сократить эффективную длину резонатора до весьма малой величины – 11 мм и обеспечить устойчивую селекцию в резонаторе единственной продольной моды, т.е. одночастотного режима генерации. Важной деталью спектра излучения изготовленного лазерного резонатора (Рис. 1) стало наличие основного признака одночастотного режима – единственного узкого пика на длине волны 1554,45 нм. Стабильность одночастотной лазерной генерации была подтверждена дополнительно с помощью сканирующего интерферометра. Верхняя оценка ширины линии лазера (12 МГц) соответствовала аппаратному разрешению интерферометра.
В одночастотных лазерах, использующихся в подавляющем большинстве прикладных задач телекоммуникации и метрологии, критически важно поддерживать непрерывный режим (“continuous-wave”) генерации. Основным недостатком эрбиевых одночастотных волоконных лазеров, исследованных в более ранних работах, являлся самопроизвольный переход из непрерывного режима генерации в импульсный (режим самомодуляции добротности, “self-Q-switch”).
В настоящей работе при исследовании лазерного резонатора был обнаружен и качественно объяснен интересный и практически важный эффект. Если при накачке по сенсибилизационной схеме в полосу поглощения иттербия (на 974,5 нм) лазер во всем диапазоне значений мощности накачки генерировал строго непрерывно, то при накачке непосредственно ионов эрбия (на длине волны 1485 нм) генерация лазера имела тенденцию к самомодуляции добротности, а непрерывный режим достигался лишь при значительном (в несколько раз) превышении порога. Энергетически более эффективной также оказалась накачка в полосу поглощения Yb3+. Она обеспечила низкопороговую (6 мВт) и эффективную (дифф. КПД 4% от поглощенной мощности) работу на одной продольной моде с выходной мощностью 17 мВт (Рис. 2).
Таким образом, по своим характеристикам представленный лазер вполне сопоставим с коммерчески доступными полупроводниковыми диодными аналогами, использующимися в настоящее время в телекоммуникационном сегменте. В то же время, волоконный одночастотный лазер, по сравнению с полупроводниковым, отличается большей компактностью, нечувствительностью к электромагнитным помехам, устойчивостью к воздействию агрессивных сред, а также более широким рабочим диапазоном температур (от -50 до +100 °С). Разработка волоконных одночастотных лазеров является на сегодняшний день особенно актуальной в связи с дефицитом импортной полупроводниковой продукции.
Данная работа была выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-02-00425 A.
Пресс-релиз подготовил: зав. лабораторией концентрированных лазерных материалов ОЛМФ ИОФ РАН, доктор физико-математических наук Б.И. Денкер.
Рис. 1. Спектр излучения лазера до («1») и после («2») достижения порога генерации. (Источник: A.A. Rybaltovsky, A.P. Bazakutsa, B.I. Denker, O.N. Egorova, S.E. Sverchkov, V.V. Velmiskin. «Lasing features of the ultra-short Fabry–Perot cavity on the basis of a photosensitive Er/Yb-doped multimaterial fiber with a silicophosphate core» Journal of the Optical Society of America B. – 2023. – Vol. 40, No. 5. – P. 1182-1186. DOI: 10.1364/JOSAB.486728)
Рис. 2. Зависимость мощности излучения на выходе из лазера от мощности излучения накачки, введённой в резонатор. «1» – накачка на длине волны 974,5 нм, «2» – накачка на длине волны 1485 нм. (Источник: A.A. Rybaltovsky, A.P. Bazakutsa, B.I. Denker, O.N. Egorova, S.E. Sverchkov, V.V. Velmiskin. «Lasing features of the ultra-short Fabry–Perot cavity on the basis of a photosensitive Er/Yb-doped multimaterial fiber with a silicophosphate core» Journal of the Optical Society of America B. – 2023. – Vol. 40, No. 5. – P. 1182-1186. DOI: 10.1364/JOSAB.486728)