Волоконно-оптические наконечники для высокомощных 3 мкм волоконных лазеров

Аннотация

Фотодеградация конца волокна из-за OH-диффузии в настоящее время ограничивает длительную работу высокомощных волоконных лазеров и усилителей, излучающих на длине волны около 3 мкм. Чтобы решить эту проблему, ученые из университета Лаваля (Квебек, Канада) исследовали сопротивление OH-диффузии фторидных и оксидных оптоволоконных наконечников, изготовленных из ZrF₄, AlF₃, GeO2, SiO₂ и Al₂O₃ волокон. Оптоволоконные наконечники сращивались с выходной поверхностью волокна лазера непрерывного действия мощностью 20 Вт, работающего на длине волны 2.8 мкм, и отслеживалось их разрушение в течение 100 часов работы. 

Введение

Волоконные лазеры играют важную роль в различных приложениях. Однако с ростом выходной мощности волоконных лазеров, вероятность повреждения наконечников соответственно возрастает. В случае хорошо знакомого Yb³⁺: кварц волоконного лазера, работающего на длине волны 1 мкм, повреждение волокна связано с тем, что выходная интенсивность излучения на границе раздела воздух-стекло превышает порог повреждения, и разрушение происходит либо из-за перегрева в непрерывном режиме работы, либо из-за лазерного пробоя при высокоинтенсивных импульсах. Чтобы уменьшить влияние этой проблемы, были разработаны оптоволоконные наконечники, которые сращивают с выходной поверхностью волоконных лазерных систем, чтобы позволить пучку расширяться контролируемым образом и, следовательно, снижать порог повреждения стекла. Такие оптоволоконные наконечники позволили разрабатывать волоконные лазерные системы, обеспечивающие выходную мощность свыше 100 кВт в непрерывном режиме.

Волоконные лазеры на основе фторида обеспечивают возможность получения высокомощного излучения между 2.8 и 4 мкм, хотя их текущая выходная мощность значительно меньше, чем у кварцевых аналогов. Тем не менее, ученые недавно продемонстрировали волоконный лазер на фториде циркония, легированный эрбием, который обеспечивает непрерывный режим с мощностью 42 Вт на длине волны 2.83 мкм, что подчеркивает потенциал волоконных лазеров с длиной волны 3 мкм для дальнейшего масштабирования мощности до 100 Вт. Такие полностью волоконные лазерные источники востребованы в разработке приложений для биологической абляции тканей и дистанционного зондирования, учитывая их превосходное совмещение с полосой поглощения колебаний связи ОН, непревзойденное качество пучка, а также их компактную, но прочную конструкцию.

Широкому распространению высокомощных волоконных лазеров с длиной волны 3 мкм в настоящее время препятствует короткий срок эксплуатации таких лазерных источников из-за разрушения конца волокна. В отличие от волоконных лазерных систем на основе диоксида кремния, эта проблема является прямым следствием работы в полосе поглощения ОН при 3 мкм и гигроскопичности стекол на основе фторида. В статье предлагается метод подавления ОН-диффузии с использованием различных типов материалов оптоволоконных наконечников с помощью эффективного диффузного барьера ОН. 

Экспериментальная установка

Самодельный высокомощный волоконный лазер с длиной волны 3 мкм обычно используется в исследовании фотодеградации оптоволоконных наконечников из различных материалов. Лазер изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Экспериментальная установка, используемая в мониторинге разрушения оптоволоконных наконечников с течением времени при выходной мощности 20 Вт на длине волны 3 мкм

Он изготовлен из 6.5-метрового волокна из фторцирконата (Er³⁺: ZrF₄) с двойной оболочкой, легированного 7% молями эрбия, производства Le Verre Fluoré. Волокно имеет диаметр сердцевины 15 мкм с числовой апертурой, равной 0.12, что позволяет работать в одномодовом режиме на длине волны более 2.4 мкм. Резонатор волоконного лазера ограничен двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР), записанными через полимер волокна с использованием фемтосекундных импульсов с помощью сканирующей фазовой маски. Входная ВБР с высокой отражательной способностью имеет коэффициент отражения более 99% на длине волны 2.825 мкм, а выходная ВБР с низкой отражательной способностью имеет коэффициент отражения 8%. Активное волокно и высокоотржающая ВБР с низкоотражающей ВБР наматываются на алюминиевую катушку с канавками диаметром 32 см и алюминиевую катушку, охлаждаемую вентилятором, и закрепляются полимером отвержденным УФ-излучением.

Накачка системы осуществлялась исключительно с переднего торца волокна с помощью многомодового лазерного диода InGaAs мощностью 135 Вт, работающего на длине волны 980 нм, оптическое волокно из диоксида кремния сращивается (S1, как показано на рисунке 1) с волокном Er³⁺: ZrF⁴. На выходе из резонатора волоконного лазера была изготовлена оболочка путем нанесения на оголенное волокно Er³⁺: ZrF₄ УФ-отвержденного полимера с высоким показателем преломления. Эта схема обеспечивала КПД 23% с работающей накачкой, а мощность накачки ограничивала максимальную выходную мощность, примерно равную 29 Вт на длине волны 2.825 мкм. 

Разрушение с течением времени при различных типах оптоволоконных наконечников отслеживали путем измерения значений температур на выходной поверхности наконечников с помощью тепловизионной камеры компании Jenoptik, оснащенной макросъемочным объективом. Одновременно регистрировалась выходная мощность лазерной системы с помощью термоэлектрического датчика (Gentec E-O, UP25N-250F-H12-D0), чтобы гарантировать работу системы при уровне выходной мощности 20 Вт на протяжении всего эксперимента. Следует отметить, что резонатор лазера работал на этом уровне мощности с некоторыми номинальными характеристиками в течение 800 часов всего эксперимента.

Результаты и обсуждение

Фотодеградация оптоволоконных наконечников

На рисунке 2 показано разрушение различных оптоволоконных наконечников под действием выходной мощности, равной 20 Вт, при непрерывном режиме работы на длине волны 2.83 мкм в течение 100 часов. Начальная температура различных наконечников варьируется между 40-75 ℃, что объясняется разницей в исходной концентрации соединения OH, коэффициентом поглощения на длине волны 2.83 мкм, теплопроводностью, а также их показателем преломления, который определяет интенсивность отражения Френеля на торцевой поверхности оптоволоконных наконечников. Наконечник на основе фторида не выдерживает испытание в течение более чем 10 часов. Хотя начальная температура наконечника многомодового волокна ZrF₄ была самой низкой из всех тестируемых (40℃), наконечник подвергся катастрофическому повреждению уже через 10 минут. Что касается наконечника из AlF₃, то он выдержал около 10 часов в схожих условиях, учитывая, что его стеклянная матрица более чем в 10 раз более устойчива в воде, чем ZrF₄. Из рисунка 2 можно увидеть, что все оптоволоконные наконечники на основе оксида и кристаллов выдержали 100 часов длительных испытаний на фотодеградацию. Однако эксперимент также показал, что температура наконечников растет с течением времени, что указывает на существование некоего феномена фотодеградации.

Рисунок 2. Измеренная температура выходной поверхности наконечников как функция времени для постоянной выходной мощности в 20 Вт на длине волны 3 мкм

Поэтому очевидно, что оптоволоконные наконечники на основе AlF₃ и тем более наконечники на основе ZrF₄ не являются подходящими долгосрочными решениями при работе с выходной мощностью более нескольких ватт на длине волны около 3 мкм. Оптоволоконные наконечники AlF₃ используются для защиты волокна лазерной системы от фотодеградации, но наконечники из AlF₃ могут использоваться только с волоконно-лазерными системами на длине волны 3 мкм, обеспечивающими выходную мощность несколько ватт, чтобы гарантировать их длительную эксплуатацию. С другой стороны, ZrF₄ наконечники многомодового волокна должны использоваться только в маломощных системах, где выходная мощность поддерживается ниже диапазона 1 Вт. Однако благодаря идеально подобранному показателю преломления наконечники ZrF₄ дают самое низкое отражение из всех тестируемых. В обоих случаях, производительность этих систем сильно ограничена паразитной генерацией на длине волны 2.8 мкм и, следовательно, крайне важно использовать оптоволоконные наконечники, обеспечивающие минимально возможную обратную связь.

На рисунке 3 приведены характеристики разрушения наконечников на основе SiO₂ и GeO₂. Начальная температура оптоволоконных наконечников на основе SiO₂ (74℃) значительно выше, чем у оптоволоконных наконечников на основе GeO₂ (50℃), это прямой результат сильного поглощения SiO₂ на длине волны около 3 мкм. Учитывая, что постоянная температура среды в течение эксперимента равна 20℃, начальное повышение температуры наконечников SiO₂ на 1 ватт выходной мощности на длине волны 3 мкм составляет 2.7 °C/Вт, в то время как у наконечников на основе GeO₂ примерно вдвое меньше, то есть 1.4 °C/Вт. Следовательно, с точки зрения масштаба выходной мощности на длине волны 3 мкм для волоконных 100 Вт лазеров, можно ожидать, что оптоволоконные наконечники на основе SiO₂ достигнут начальной температуры в 290 °C, в то время как температура GeO₂-наконечников будет находиться в диапазоне 140-280 °C. Это позволяет заключить, что оптоволоконные наконечники на основе GeO₂ являются лучшим вариантом для высокомощных систем с длиной волны 3 мкм. Тем не менее для систем средней мощности (около 20 Вт) SiO₂-наконечник является лучшей альтернативой, чем наконечник на основе GeO₂, учитывая, что скорость их разрушения более чем в три раза ниже, чем у GeO₂. Этот факт позволил SiO₂-наконечнику достичь после 100 часов работы такой же конечной температуры, что и наконечник на основе GeO₂ (LVF), хотя их начальная разница температур составляла 33°C. Кроме того, волокна SiO₂, по сравнению с волокнами GeO₂, менее дороги и значительно проще в обращении и переработке. Показатель преломления SiO₂ на длине волны 3 мкм составляет 1.42 и это ближе к показателю преломления ZrF₄ стекла, то есть 1.49, чем у GeO₂. Эта характеристика также способствует использованию наконечников из SiO₂ в конструкции мощных волоконных лазерах среднего ИК-диапазона с синхронизаций мод или в усилителях волоконных лазеров. 

Рисунок 3. Спецификация на оптоволоконные наконечники SiO₂ и GeO₂, где a – начальная температура, b - T_i при выходной мощности на длине волны 3 мкм, c – экстраполированный T_i при выходной мощности 100 Вт, d – изменение температуры во времени

Ученые считают, что оптоволоконные наконечники на основе Al₂O₃ потенциально интересное решение для высокомощных волоконных лазерных систем с длиной волны 3 мкм, в зависимости от возможности изготовления наконечников на основе монокристаллического волокна Al₂O₃. Альтернативой изготовлению таких наконечников могли бы быть одномодовые волноводы с вдавленной в стержневое Al₂O₃-волокно с оболочкой с помощью фемтосекундных импульсов. Этот метод позволит сохранить качество пучка у волоконных лазеров с длиной волны около 3 мкм, хотя для передачи светового пучка используются длинные волокна из Al₂O₃.

Как и в случае оптоволоконных наконечников на основе фторида, ученые полагают, что фотодеградация, наблюдаемая в наконечниках на основе SiO₂ и GeO₂, не связана с диффузией водяного пара из окружающей среды, так как это маловероятно, учитывая высокую степень упорядоченности его матрицы. Вместо этого ученые полагают, что повышение температуры, наблюдаемое во время эксперимента, связано с адсорбцией водяного пара на полированной поверхности сапфирового волокна. Возникновение адсорбции воды вызвано тем фактом, что на поверхности монокристаллического сапфирового волокна химический состав чистого кристалла не сохраняется, поскольку соединения Al-O-Al лишены соседей. Это приводит к возникновению различных химических механизмов, посредством которых ОН может связываться с поверхностью и изменять свойства последнего при повышении давления, влажности, температуры и времени. Что касается наконечников Er³⁺: YAG, то они не могли быть протестированы, учитывая, что их температура на 3 мкм при мощности 2.5 Вт уже была около 120 °C. Несмотря на это, нелегированные волокна на основе монокристалла YAG представляют собой очень интересный материал для оптоволоконных наконечников, поскольку он обладает такими же термическими и механическими свойствами, как и волокно из Al₂O₃, и в то же время могут запросто трансформироваться в оптоволоконные наконечники для волокна из ZrF₄. 

Покрытия Si₃N₄ для мощных волоконных лазеров 3 мкм-класса

Чтобы определенным образом подавить ОН-диффузию в материалах наконечников, предлагается покрыть выходную поверхность наноскопической тонкой пленкой на основе нитрида кремния (Si₃N₄). Такие материалы уже широко используются в электронике в качестве диффузионного барьера для диэлектрических слоев SiO₂ или пассивирующих слоев в гибких электролюминесцентных устройствах.

Тонкие пленки Si₃N₄ были нанесены на грань наконечников с использованием двойного магнетронного распыления реактивного ионного пучка в среде с давлением 1.46 × 10^–3 Торр. Материалом мишени был диск из кремния с чистотой 99.99% диаметром 6”. Температура материала поддерживалась на уровне 115 ° C, а осаждение тонкой пленки производилось при скорости 0.24 нм/с. В процессе распыления поток газообразного аргона поддерживался на уровне 32 см³, а реактивный газообразный азот (22 см³) вводился в камеру с помощью ионного источника. Однородность нанесенной тонкой пленки повышалась путем вращения держателя материала со скоростью 80 об/мин.

На рисунке 4 сравнивается разрушение оптоволоконных наконечников из ZrF₄, AlF₃ и Al₂O₃ покрытых пленкой из Si₃N₄ и без покрытия под воздействием излучения на длине волны 3 мкм в течение 100 часов. Все оптоволоконные наконечники испытывали естественную конвекцию, что ускоряло процесс фотодеградации. Из рисунка 4 видно, что покрытие Si₃N₄ ингибирует диффузию ОН для всех протестированных торцевых наконечников, если не зарегистрировано никакого повышения температуры с течением времени. 

Рисунок 4. Измеренная температура наконечников (а) ZrF₄, (b) AlF₃ и (с) Al₂O₃ по сравнению с их аналогами с покрытием Si₃N₄ как функция времени. Выходная мощность на 3 мкм и толщина покрытия Si₃N₄ для оптоволоконных наконечников из ZrF₄ и AlF₃, составляли 7 Вт и 25 нм соответственно, а для наконечников из Al₂O₃ - 20 Вт и 100 нм соответственно

Однако некоторые Si₃N₄-покрытия проявляли признаки растрескивания через несколько месяцев после их нанесения на волокна в результате высоких поверхностных напряжений. Оптимизация покрытий из Si₃N₄ также будет способствовать потенциальному количеству материалов наконечников, на которые они могут быть нанесены, то есть ZrF₄, AlF₃, SiO₂, GeO₂, YAG и Al₂O₃. Ученые считают, что в скором будущем оптимизированный оптоволоконный наконечник должным образом покрытый Si₃N₄ обеспечит длительную работу (более 10 000 часов) на 100 Вт волоконным лазерным системам с длиной волны 3 мкм.

Заключение

В этой работе наблюдалась на протяжении 100 часов OH-деградация для стыков различных наконечников и волокна для волоконных лазеров с длиной волны около 3 мкм и выходной мощностью 20 Вт. Чтобы подавить взаимодействие ОН с материалом оптоволоконных наконечников при высокоинтенсивном 3 мкм излучении, в этой работе предлагается покрыть поверхность оптоволоконных наконечников тонкой пленкой из нитрида кремния. Эффективность предложенного метода продемонстрирована на наконечниках ZrF₄, AlF₃, покрытых Si₃N₄, а также на наконечнике волокна из Al₂O₃. При освещении светом в течение 100 часов оптоволоконные наконечники с покрытием не показали признаков разрушения, тогда как их аналоги без покрытия претерпели катастрофическое разрушение или продемонстрировали значительное повышение температуры (Al₂O₃).

Ученые считают, что в ближайшем будущем оптимизированные оптоволоконные наконечники с покрытием Si₃N₄ позволят волоконным лазерам с длиной волны 3 мкм мощностью 100 Вт работать длительное время, что в свою очередь простимулирует развитие передовых приложений среднего инфракрасного диапазона.

Aydin Y. O. et al. Endcapping of high-power 3 µm fiber lasers //Optics Express. – 2019. – Т. 27. – №. 15. – С. 20659-20669.