Решетки с длинным периодом, записанные во фторидных волокнах фемтосекундными импульсами

Решетки с длинным периодом записываются во фторидном оптоволокне с помощью фемтосекундных лазерных импульсов на длине волны 800 нм. Такие решетки, записанные в оптоволокнах, находят применение в различных оптических устройствах для измерений в среднем инфракрасном диапазоне, например, в оптических режекторных фильтрах и волоконных усилителях.

Фторидные оптические волокна в последние десятилетия привлекают все большее внимание благодаря своим выдающимся оптическим свойствам, подходящим для разработки волоконных лазеров и суперконтинуумных источников, работающих в средней инфракрасной области. Однако запись длиннопериодных решеток во многокомпонентные фторидные стекловолокна по-прежнему представляет собой сложную задачу.

Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В качестве короткоимпульсного источника света используется фемтосекундный лазер на кристалле титан-сапфира (792 нм). Длина импульса 100 фс на уровне ширины по полувысоте (FWHM). Частота импульсов в опыте варьируется от 10 кГц до 300 кГц, максимальные энергии импульсов принадлежат диапазону от 7 мкДж до 5,5 мкДж соответственно.

Суперконтинуумные лазеры - специализация компании NKT Photonics. Лазеры серии SuperK может заменить несколько однополосных лазеров, громоздкие жидкостные или газовые лазеры, а также широкополосные источники типа ASE и SLED.

Полный список производителей фемтосекундных лазеров и комплектующих доступен в разделе лазеры и лазерные системы.

Лазерные импульсы фокусировались в сердцевину волокна с помощью объектива с фокусным расстоянием 20 мм и увеличением 20 крат. С помощью телескопической трубы диаметр перетяжки лазерного пучка регулировался по ширине входной апертуры объектива Mitutoyo.

Для идеально отъюстированному по отношению к микроскопическому объективу оптоволокну с показателем преломления равным 1.5, перетяжка пучка и рэлеевская длина равны, соответственно, 1.2 мкм и 4.3 мкм. Пучок считался идеальным, изгибами волокна пренебрегали. Для регулировки энергии импульса использовался переменный аттенюатор, состоящий из полуволновой пластины и  поляризатора. Объектив перемещался относительно волокна и фиксировался в волоконном зажиме с постоянной скоростью с помощью трансляционной платформы. Для выравнивания волокно натягивали с небольшим усилием. Положение волокна можно было регулировать с помощью двух моторизованных приводов Thorlabs с минимальным шагом 20 нм. С помощью двух камер – одной, расположенной выше объектива, а другой - перпендикулярно волокну, удалось более тщательно выровнять положение волокна относительно траектории импульса. Волоконный суперконтинуумый источник среднего ИК, излучающий от 1.9 мкм до 3.8 мкм соединен со фторидным стекловолокном, и спектр пропускания измерялся в процессе записи с помощью оптического анализатора среднего ИК.

Рисунок 1. Схема записи длиннопериодной решетки и её характеристики. Микрообъектив перемещается с постоянной скоростью, оптическое волокно остается неподвижным

Оптическое волокно в эксперименте – это двухслойное волокно на основе фторида циркония с эрбием, показатель преломления волокна около 1.485 при 2.9 мкм. Диаметр сердечника 16 мкм (NA 0.12) обеспечивает стабильную передачу одномодового излучения с длиной волны выше 2.5 мкм с низкими потерями (50 дБ/км). Таким образом, волокно подходит для лазерных применений и генерации суперконтинуума в средней ИК-области. Сердцевина окружена стеклянной оболочкой диаметром 260 мкм. Первая оболочка окружена оболочкой из полимера с низким показателем преломления, благодаря которой обеспечивается многомодовое распространение излучения накачки в первичной оболочке (NA > 0.46).

Большой ассортимент оптических волокон предлагают компании FiberLabs. Первая (и основная) продукция –  оптические фторидные волокна, широко используемые в оптоволоконной коммуникации, оптическом зондировании, биомедицине, визуализации.

Период решетки Λ был установлен на 630 мкм, в общей сложности удалось записать 120 элементов решетки. Общая длина примерно равна 75 мм. Окружающее полимерное покрытие было удалено с помощью дихлорметана перед записью решетки, и волокно было выровнено таким образом, чтобы надпись проходила через плоскую поверхность (см. рис. 3, б, лазерный пучок падает сверху). Полученный спектр пропускания показан на рис. 2 и показывает резкие резонансы с потерями до 24 дБ (99.6%). Внеполосные потери оказались примерно на уровне 1 дБ. Поскольку измеренный спектр пропускания нормализован к эталонному, измеренному без решетки (до записи), внеполосные потери могут быть непосредственно отнесены к процессу записи длиннопериодной волоконной решетки. Динамического диапазона установки хватило для регистрации еще более сильных резонансных пиков.

Рисунок 2. Спектр пропускания излучения 630 мкм и 120 элементов решетки, записанных последовательно вдоль сердцевины волокна (L ≈ 75 мм). Черная пунктирная линия показывает моделированный спектр передачи

Рисунок 3. а) Микроскопическое изображение решетки с длинным периодом и 50%-й скважностью. Период решетки был выбран в соответствии с потребностью наблюдать полученную периодическую структуру, соотносив с размером ядра. (б) Поперечное сечение волокна с хорошо центрированной модификацией в области сердцевины. c) увеличенное изображение модифицированной области ядра

Используя численное моделирование, выполненное с помощью программного обеспечения, удалось восстановить результирующий спектр переданного сигнала. Моделирование позволило определить различные резонансные пики фундаментальной моды ядра, моды оболочки высокого порядка. Поскольку их расчетные показатели преломления близки, два пика разделены всего несколькими нанометрами, но все же различимы. С увеличением длины волны порядок моды оболочки увеличивается, появляются резонансы на более высоких длинах волн из-за их снижения показателей преломления. Следует отметить, что при проведении моделирования учитывались только линейно поляризованные моды (рис. 2). График демонстрирует согласованность между экспериментальным и моделируемым спектрами пропускания излучения 630 мкм.

После получения спектральной характеристики решетку расщепили поперек модифицированной области волокна. Торцевую грань наблюдали микроскопом, показывая, что область хорошо центрирована в области сердцевины, как показано на рис. 3, в.

Облучение высокочастотным светом приводит к накоплению тепла в фокусном объеме волокна. Известно, что из-за низкого пропускания фторидных стекол и малой теплопроводности температура стекла превышает также температуру его плавления. Торцевая грань, наблюдаемая под микроскопом, при освещении зеленым светом ясно показывает, что вся модифицированная область, включая область, простирающуюся в оболочке волокна (см. рис. 3, в), поглощала зеленый свет. Следовательно, в оболочке волокна присутствовали ионы эрбия. В модифицированной области имела место диффузия расплавленного стекла, направленная в оболочку вблизи фокального объема. Воспользовавшись этим эффектом аккумуляции тепла, удалось охватить значительную часть сердцевины волокна (рис. 3, а и 3, в). Область модификации имеет асимметричную форму из-за аберраций при фокусировке лазерного импульса в сердцевине волокна (см. рис. 3, в). Размеры области составляют около 8 мкм в ширину и 25 мкм в длину, соотношение ее ширины и длины хорошо согласуется со значениями, рассчитанными по геометрии фокусировки. Большой размер области и ее асимметрия имеют недостаток при анализе спектра на рис. 2, наблюдалась слабая связь с радиально-асимметричными модами оболочки при длинах волн 2.68 мкм и 3.00 мкм.

Измерение показателя преломления в оптоволокне проводилось с помощью инструмента профилирования. Прибор позволяет измерять 2D-профиль показателя преломления волокна с точностью до десятитысячной доли с пространственным разрешением около 500 нм.

Рисунок 4. Измерение показателя преломления торцевой грани расщепленного волокна. А) модификация в области нелегированной оболочки с полным положительным изменением индекса. Б) модификация, распространяющаяся на область ядра, и переход показателя преломления к отрицательному значению. Черная пунктирная линия указывает на область ядра. В обоих случаях лазерный луч падает сверху

В рамках эксперимента проводилось исследование термической стабильности сжиженного газа во фторидных стеклянных волокнах. Другая решетка с несколько другими параметрами (Λ = 500 мкм, ε = 1 мкДж, 80 последовательных элементов решетки) была вписана в первую, отжиг проводился с помощью микроволоконной печи при температуре 250^оС. На рис. 5 показано падение резонансного пика на 2,42 мкм при увеличении температуры отжига. Кривая при 25°C представляет собой начальную решетку. После отжига в течение 30 мин при температуре 150°С решетка потеряла почти 20% своей первоначальной прочности. По уменьшению прочности решетки можно определить эволюцию изменения индекса в зависимости от температуры с помощью программного обеспечения. Каждая точка на рис. 6 представляет собой расчетное изменение показателя преломления после 30 мин термического отжига при соответствующей температуре.

Рисунок 5. Эволюция пиковой прочности при различных температурах отжига. Температуру поддерживали постоянной в течение 30 мин на каждом этапе

Рисунок 6. Эволюция изменения показателя преломления при увеличении температуры отжига для решетки, показанной на рис. 5. Волокно отжигали в течение 30 мин при температурном шаге 25^оС. На вставке показано изменение индекса в зависимости от времени при температуре 125°C

Заключение

Используя фемтосекундные лазерные импульсы на длине волны 800 нм и эффекты накопления тепла в фокальном объеме удалось модифицировать значительную область сердцевины волокна, дающую пики передачи сжиженного газа вплоть до -24 дБ. Проведено моделирование спектрального отклика решетчатой структуры, результаты которого хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Опыт с отжигом волокна показал, что прочность решетки снижается до 80% от ее первоначальной прочности примерно через 20 мин при температуре 150°C.

© Opt. Letters Vol. 43, No. 9, 2018

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Mitutoyo, FiberLabs, NKT Photonics, Thorlabs на территории РФ