Характеристики непрерывного ~ 5 мкм лазера на легированном Ce3+ халькогенидном световоде

Характеристики непрерывного ~ 5 мкм лазера на легированном Ce³⁺ халькогенидном световоде

Пресс-релиз публикации: V.V. Koltashev, M.P. Frolov, S.O. Leonov, S.E. Sverchkov, B.I. Galagan, Yu.V. Korostelin, Ya.K. Skasyrsky, G.E. Snopatin, M.V. Sukhanov, A.P. Velmuzhov, V.I. Kozlovsky, B.I. Denker, V.G. Plotnichenko «Characteristics of a CW ~ 5 μm Ce³⁺-doped chalcogenide glass fiber laser» Laser Physics Letters. – 2023. – Vol. 20. – 095801. DOI: 10.1088/1612-202X/ace9ce

Пресс-релиз в формате PDF

В работе впервые реализован непрерывный волоконный лазер на основе халькогенидного стекла, активированного ионами Ce³⁺. Лазер работает при комнатной температуре в диапазоне длин волн ~ 5 мкм.

Работа имеет приоритетный характер из-за острой конкуренции с несколькими зарубежными исследовательскими группами и, в первую очередь, с интернациональной группой профессора A. Seddon из Ноттингемского университета (Великобритания).

Применение халькогенидных волоконных световодов открывает широкие возможности получения и использования лазерной генерации в среднем инфракрасном диапазоне. В качестве активных ионов при создании лазеров, ионы Ce³⁺ обладают рядом достоинств по сравнению с другими редкоземельными ионами: простая схема уровней (Рис. 1а), аналогичная схеме уровней Yb³⁺ в ближнем инфракрасном диапазоне, что обуславливает отсутствие кросс-релаксационных и ап-конверсионных процессов; высокие значения сечений поглощения и испускания (Рис. 1б); возможность перестройки спектра генерации в широком диапазоне, 4.5-5.5 мкм. Все это позволяет рассматривать Ce³⁺ в качестве активного иона при создании халькогенидных волоконных лазеров.

В качестве источника накачки применен непрерывный 4.16 мкм лазер на кристалле Fe²⁺:ZnSe, который, в свою очередь, возбуждался Er³⁺ волоконным лазером на фторидном стекле ZBLAN. Излучение накачки фокусировалось с помощью линзы в сердцевину активного халькогенидного световода с длиной 30 см и диаметрами сердцевины/оболочки 21/240 мкм. Для изготовления сердцевины использовано легированное ионами Ce³⁺ (5.5 × 10¹⁸ см^-3) селенидное стекло состава Ge₂₀Ga₅Sb₁₀Se₆₅, для оболочки – нелегированное сульфидное стекло состава Ge₁₂As₂₀Sb₅S₆₃.

В работе исследованы спектральные и временные особенности работы такого лазера. В случае использования резонатора низкой добротности, лазер работал на длине волны λ = 4.62 мкм, соответствующей узкому пику в спектре люминесценции. При повышении добротности резонатора, длина волны генерации перескакивала на 5.0-5.1 мкм, что соответствует плато на расчетном спектре усиления. Выходная мощность пятимикронного излучения достигала 0.5 мВт при эффективности η около 1 %. При этом порог генерации имел достаточно низкие значения, ~ 10 мВт.

Научная новизна и приоритетный характер проведенных исследований заключаются в том, что впервые в мире на волоконном световоде реализован лазер на ионах церия на переходе ²F_7/2→²F_5/2 с длиной волны излучения λ около 5 мкм, и исследованы особенности его работы.

Полученные результаты открывают возможности к практическому использованию таких волоконных лазеров. Одним из применений является лазерная спектроскопия, которая позволяет обнаруживать следы химических соединений, имеющих характерные полосы поглощения в средней инфракрасной области. Помимо научных применений, такие лазеры могут найти применение в медицине, контроле технологических процессов, мониторинге окружающей среды, в системах безопасности.

Работа является результатом кооперации ученых из ИОФ РАН, ФИАН и ИХВВ РАН. Вклад авторов из ИОФ РАН в настоящую работу заключается в проведении и интерпретации спектроскопических и генерационных исследований.

Пресс-релиз подготовил: старший научный сотрудник НЦВО ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук В.В. Колташев.

Рис. 1. Схема уровней (а) и сечения поглощения и испускания (б) ионов Ce³⁺ в селенидном стекле. (Источник: V.V. Koltashev, M.P. Frolov, S.O. Leonov, S.E. Sverchkov, B.I. Galagan, Yu.V. Korostelin, Ya.K. Skasyrsky, G.E. Snopatin, M.V. Sukhanov, A.P. Velmuzhov, V.I. Kozlovsky, B.I. Denker, V.G. Plotnichenko «Characteristics of a CW ~ 5 μm Ce³⁺-doped chalcogenide glass fiber laser» Laser Physics Letters. – 2023. – Vol. 20. – 095801. DOI: 10.1088/1612-202X/ace9ce)