Введение
В этой статье описывается разработанный волоконный лазер, подходящий для коммерческих, оборонных и аэрокосмических применений, для которых требуются легкие и надежные лазерные источники с высокой эффективностью и выходной мощностью. В предложенной лазерной схеме была использована внутриполосная накачка оболочки - подход, который отвечает этим требованиям, совместим с современными технологиями полупроводниковых лазерных диодов и может обеспечить высокую дифференциальную эффективность. Также была найдена оптимальная концентрация легирующих примесей Er-Yb оптоволокна марки Coractive. Приводится сравнение эффективности накачки в оболочку на длинах волн 1480 и 1535 нм волоконных лазеров, легированных эрбием.
Конфигурация волоконного лазера
Предлагаемая конфигурация состоит из Er-Yb волокна с двойной оболочкой длиной 18 метров, которое накачивается 36 волоконными лазерами, излучающими на длине волны 1535 нм, как показано на рисунке 1.
Волокно лазера и определение оптимального соотношения концентраций Er-Yb
Активное волокно было спроектировано так, чтобы иметь поглощение оболочки 1,1 дБ/м на длине волны 1535 нм. Полное поглощение эрбий-иттербиевого волокна Coractive длиной 18 метров на длине волны 1535 нм было измерено при помощи широкополосного источника света с размером пятна и числовой апертурой больше, чем у волокна (состояние переполнения), и составило ∼20 дБ. Измеренное значение было подтверждено с использованием теоретической формулы (1), связывающей поглощение из сердцевины, αcore, диаметр сердцевины, φcore и диаметр оболочки, φclad, с поглощением из оболочки, αclad:
Рисунок 1. Конфигурация мощного волоконного лазера с длиной волны генерации 1585 нм. Волокно Coractive, легированное Er-Yb, – резонатор; HR – волоконная брэгговская решетка с высоким коэффициентом отражения; LR – волоконная брэгговская решетка с низким коэффициентом отражения; CMS – стриппер оболочечных мод; OSA – спектрометр.
Вторая оболочка была изготовлена из полимера с низким показателем преломления, так что первая оболочка имела числовую апертуру 0,45 и диаметр φclad 125 мкм. Легированная сердцевина изготовлена из стекла с алюмо-фосфо-силикатной матрицей (диаметр сердцевины 17 мкм, NA сердцевины 0,08).
Для определения оптимального соотношения концентраций Er-Yb были изготовлены четыре заготовки волокон с разным содержанием легирующих примесей. Все волокна изначально были вытянуты с одной оболочкой, и их характеристики сравнивались с точки зрения поглощения при 1535 нм и дифференциальной эффективности для накачки в сердцевину 1535 нм, как показано в таблице 1. Уровень кластеризации также был охарактеризован с использованием методики измерения, описанной в [11]. Сердцевина заготовки № 1, закристаллизовалась во время изготовления, и полученное волокно имело большие фоновые потери из-за низкой растворимости эрбия в стеклянной матрице, не содержащей Yb и богатой фосфором. Допирование иттербием позволило снизить потери до приемлемого уровня. Наблюдалась четкая зависимость между увеличением уровня кластеризации и снижением дифференциальной эффективности. Отношение концентраций Er : Yb, равное 1 : 3.3, дало наилучшие результаты, и волокно, используемое в этой работе, получено из этой заготовки.
Таблица 1. Параметры четырех изготовленных заготовок волокон
Резонатор лазера
Резонатор состоял из волоконной брэгговской решетки (ВБР), действующей как отражатель, и 18-метрового волокна Coractive с двойной оболочкой, легированного Er-Yb, со сколом на конце, действующим как выходное зеркало. ВБР на длину волны 1585 нм с полосой пропускания 2 нм 3 дБ и отражательной способностью 30 дБ была записана УФ излучением в одномодовом волокне с двойной оболочкой, имеющем диаметр сердцевины 17 мкм и числовую апертуру 0,08.
Лазеры накачки
Накачка резонатора осуществлялась 36 волоконными лазерами с длиной волны 1535 нм. Внутри пунктирной рамки на рисунке 1 показана конфигурация этих лазеров, каждый из которых накачивался на длине волны 976 нм двумя диодами, обеспечивающими общую мощность накачки в сердцевину 31 Вт. Таким образом, каждый волоконный лазер имел максимальную выходную мощность 11 Вт. Активное волокно Coractive, используемое для создания лазеров накачки, применяется в мощных усилителях связи. Волокно имеет диаметр сердцевины 10 мкм, NA 0,22 и поглощение оболочкой ~ 2 дБ/м на длине волны 915 нм. В оптоволокне высокая концентрация иттербия, необходимая для оптимизации эффекта кросс-релаксации между ионами Yb и Er, является причиной высокого поглощения на длине волны 970 нм, вызывающего высокую тепловую нагрузку. Выходная мощность лазера накачки была ограничена по температуре, и при работе на максимальной мощности волокно достигало температуры выше 85 градусов. Поскольку акрилатное покрытие волокна рассчитано на температуру до 100°C, волоконные лазеры накачки охлаждались водой. Центральная ветвь сумматора накачки 2+1→1 была сконструирована с использованием функции «Endlight» сварочного аппарата Fujikura для достижения низкого уровня обратного отражения [12]. Резонатор лазера 1535 нм состоял из двух ВБР, с высоким коэффициентом отражения (HR) и низким коэффициентом отражения (LR), которые были записаны в пассивном световоде с двойной оболочкой с диаметром сердцевины 8 мкм и NA 0,12. И активные, и пассивные волокна Coractive спроектированы таким образом, чтобы совпадение диаметров полей основных мод превышало 95%. Соединение оплавлением активного волокна с ВБР было выполнено путем активной юстировки, потери в сварке были оценены примерно в 0,15 дБ. HR имела отражательную способность более 30 дБ, а коэффициент отражения LR – 0,5 дБ. HR и LR были спроектированы таким образом, чтобы после отжига решеток полоса отражения HR шириной 3 нм перекрывала полосу отражения LR, равную 0,3 нм. Такая конфигурация обеспечивает стабильную работу лазера при нагреве волокна до высоких температур, вызывающих смещение длин волн отражения решеток. Для устранения остаточного излучения накачки 976 нм перед основным резонатором использовался стриппер оболочечных мод. Средний КПД лазеров накачки составил 35,6%, рассчитанный как отношение выходной мощности к запускаемой на длине волны 976 нм. Выходы лазеров накачки были объединены с использованием изготовленного на заказ сумматора накачки, который объединяет 37 стандартных входов одномодовых волокон (SMF28) в одно волокно 125 мкм без сердцевины с NA 0,45. Технология изготовления объединителя пучков из расплавленных волокон 37 → 1 описана в работах [13] и [14]. Потери в сумматоре накачки были оценены как ~ 0,3 дБ. Центральная ветвь сумматора мощности подключена к спектрометру (OSA) с разрешением 0,1 нм, который используется для контроля спектрального состава встречного сигнала.
На рисунке 2 показана выходная мощность лазера на длине волны 1585 нм, измеренная как функция мощности накачки на длине волны 1535 нм. Эффективность 74% по отношению к мощности накачки достигается без каких-либо признаков насыщения, указывающих на то, что максимальная выходная мощность была ограничена накачкой. Выходная мощность лазера составила 264 Вт, была стабильной и колебалась в пределах ~ 1% при тестировании в течение 1 часа работы. Тепло отводилось через неохлаждаемый радиатор. Естественного воздушного охлаждения было достаточно для рассеивания тепловой нагрузки из-за высокого КПД лазера и низких фоновых потерь. Оптические спектры, измеренные с помощью OSA с разрешения 0,1 нм при выходной мощности 60 и 260 Вт, показаны на рисунке 3, где уровень усиленного спонтанного излучения на 50 дБ ниже уровня сигнала. На рисунке показано расширение спектра генерации лазера на длине волны 1585 нм при увеличении мощности. Измеренная спектральная ширина на полувысоте увеличилась с 0,3 нм при 60 Вт до 1 нм при 260 Вт. Это спектральное уширение связано с четырехволновым смешением между продольными модами лазера. Проведенные измерения согласуются с теоретической моделью, описывающей уширение линии мощных волоконных лазеров в зависимости от мощности на длине волны 1064 нм [15].
Рисунок 2. Выходная мощность на длине волны 1585 нм как функция полной мощности накачки 1535 нм, вводимой в оболочку
Рисунок 3. Оптический спектр, измеренный при выходной мощности 60 и 260 Вт. Спектрометр подключен к центральной ветви сумматора 37 к 1.
Сравнение эффективности длин волн накачки
В этой работе для внутриполосной накачки были использованы волоконные лазеры, поскольку цена имеющихся в продаже диодов накачки 1535 нм все еще остается непомерно высокой. При этом резонатор волоконного лазера был спроектирован таким образом, чтобы быть совместимым с полупроводниковыми диодами высокой яркости, большой мощности и имеющимися в продаже. Другим доступным по цене вариантом накачки является стандартный диодный лазер с длиной волны 1480 нм. Поэтому стоит исследовать характеристики, достигаемые за счет использования внутриполосной накачки на 1535 нм и 1480 нм. Сравнение этих двух длин волн накачки производилось на экспериментальной установке, показанной на рисунке 4.
Рисунок 4. Экспериментальная установка для сравнения эффективности длины волны накачки на 1480 нм и 1535 нм. Резонатор: Er – Yb волоконный лазер с покрытием из диоксида кремния (NA 0,28).
Для накачки резонатора линейного волоконного лазера использовались три коммерчески доступных полупроводниковых диода, излучающие на длине волны 1480 или 1535 нм. Выходное волокно диода представляло собой многомодовое волокно с диаметром сердцевины 105 мкм и NA 0,22. Сумматор накачки 3 → 1 использовался для введения мощности до 15 Вт (три диода в сумме) в оболочку алюмо-фосфо-силикатного Er-Yb волокна с двойной оболочкой (диаметр сердцевины 13 мкм, NA 0,08). Волокно, которое мы использовали для этого эксперимента, имеет оболочку из легированного фтором кремнезема с NA 0,28 и низким поглощением при 1480 и 1535 нм. Это волокно было изготовлено из той же заготовки, что и описанное ранее, поэтому оно имеет такое же поглощение сердцевины слабого сигнала. Для этого эксперимента требуется полностью стеклянное волокно, поскольку первоначальная длина волокна была равна 40 м, поэтому поглощение оболочки существенно влияет на эффективность лазера. Эксперимент состоял в измерении дифференциальной эффективности лазера для резонаторов различной длины при накачке на длинах волн 1480 нм и 1535 нм. Выходное зеркало представляло собой плоский конец волокна со сколом (4%), отражатель – та же ВБР, которая использовалась ранее. Измеренный спектр поглощения оболочки, использованный для моделирования, показан на рисунке 5.
Рисунок 5. Спектр поглощения оболочки Er-Yb волокна Coractive с двойной оболочкой.
Моделирование проводилось с использованием стандартных скоростных уравнений, решаемых методом Рунге – Кутта четвертого порядка, и основано на моделировании усиления волокна [16]. Все параметры, которые использовались при моделировании, такие как потери на стыке, фоновые потери, поглощение в сердцевине, диаметр сердцевины и оболочки, были измерены на участке волокна, использованном в этом эксперименте. На рисунке 6 приведено сравнение экспериментальных измерений с результатами моделирования. Для волокна Coractive поглощение оболочкой на длине волны 1535 нм составляет 0,57 дБ м, а на длине волны 1480 нм - 0,17 дБ м. Из-за более низкого поглощения оболочки полностью стеклянного волокна резонатор с накачкой оболочки 1535 нм, использованный в этом эксперименте, имел меньшую эффективность, чем тот, который был описан в первом разделе этой статьи. С другой стороны, низкая эффективность на длине волны 1480 нм связана с низким поглощением на этой длине волны, что делает его непригодным для накачки оболочки. Очевидно, что внутриполосная накачка с длиной волны накачки 1535 нм, для которой поглощение выше, является ключевым фактором для достижения высокой эффективности и выходной мощности волоконного лазера.
Рисунок 6. Экспериментально измеренная и численного моделирования дифференциальная эффективность лазера для длин волн накачки 1480 нм (квадрат) и 1535 нм (ромбы).
Заключение
В этой работе было продемонстрировано, что внутриполосная накачка вблизи пика поглощения эрбий-иттербиевого волокна Coractive является эффективной схемой для получения мощного излучения вблизи 1580 нм. Небольшой квантовый дефект этой конфигурации также снижает требования к охлаждению. В разработанной конфигурации лазера была достигнута рекордная выходная мощность более 260 Вт на длине волны 1585 нм с дифференциальной эффективностью 74% при мощности накачки 370 Вт. Хотя в приведенной демонстрации накачка была осуществлена с помощью волоконного лазера, для предложенной конфигурации можно использовать диодные лазеры, как только они станут доступны на этих длинах волн по доступной цене. С диодной накачкой эти волоконные лазеры станут конкурентоспособными с точки зрения эффективности по сравнению с Yb волоконными лазерами с диодной накачкой, но с безопасными для глаз длинами волн. Хотя Yb не участвует в процессе генерации излучения, его наличие является ключом к уменьшению кластеризации и достижению масштабируемости мощности. Поэтому производительность лазера в настоящее время ограничена только доступной мощностью накачки. Эти лазерные источники с безопасной для глаз длиной волны являются многообещающей альтернативой нынешним мощным волоконным лазерам, легированным Yb, которые используются в промышленности. Кроме того, низкое атмосферное поглощение на этой длине волны в сочетании с нечувствительностью к юстировке, малым весом и малым углом расходимости пучка одномодового волоконного лазера делает это решение перспективным для оборонных и аэрокосмических приложений.
Опт. Экспресс 39, 13 (2014) 3974-3977
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции CorActive на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
