Волоконный лазер на длине волны 3.92 мкм работающий при комнатной температуре

Волоконные лазеры, легированные редкоземельными элементами, являются многообещающими претендентами на развитие спектроскопии в открытом космосе и военных систем в спектральной области 3-5 мкм. Но из-за ограниченной полосы пропускания фторцирконатного стекловолокна в таких системах удалось достичь покрытия по длине волны только до 3,8 мкм, что вызывает потребность в разработке более подходящих композиций стекловолокна.

Волоконные лазеры (ВЛ) применяются в медицине, спектроскопии и производстве благодаря ограниченному дифракцией качеству луча, прочной конструкции, малой занимаемой площади и легкому обслуживанию. Однако проблемой является расширение диапазона длин волн ВЛ в среднюю инфракрасную (ИК) область спектра, особенно выше 3 мкм с сохранением значительной выходной мощности. Эта спектральная область привлекает большое внимание из-за присутствия фундаментальных полос молекулярного поглощения, позволяющих применять спектроскопию и дистанционное зондирование. Кроме того, его перекрытие с атмосферным окном пропускания на 3,9 мкм представляет особый интерес для военных приложений и связи в открытом космосе.

Учитывая большое количество оптических переходов в редкоземельных (РЗ) элементах, заключенных в стекло, волокна из такого материала демонстрируют значительный охват длин волн в средней ИК области (рисунок 1).  В ближнем инфракрасном диапазоне на длинах волн около 2 мкм ВЛ из диоксида кремния, легированные тулием (Tm³⁺), с диодной накачкой, достигли уровня выходной мощности в киловатт, что стало возможным благодаря наличию высокомощных компонентов, а также высокой механической и термической прочности кремнеземных волокон. Однако ограниченная полоса пропускания и высокая энергия фононов (1100 см^-1) в волокнах на основе диоксида кремния делают лазерное излучение выше 2,2 мкм очень маловероятным. С другой стороны, волокна на основе фторида циркония (ZrF₄) обладают относительно низкой энергией фононов 574 см^-1, что определяет их край пропускания ИК излучения около 4 мкм. Лазеры на таком волокне показали лучшею генерацию в среднем ИК выше 2,4 мкм (рисунок 1). Использование волокон с Брэгговскими решетками (БР), а также одномодовых сращиваний, монолитные цельноволоконные лазеры, легированные эрбием (Er³⁺), с фазовой накачкой, были продемонстрированы как на длине волны 2,94 мкм, так и 3,55 мкм при выходной мощности 30 и 5,6 Вт соответственно. Кроме того, в волоконном лазере на основе диспрозия (Dy³⁺) была достигнута мощность 1,06 Вт при 3,15 мкм и 4 мВт на 3,78 мкм путем растягивания пропускания до перехода на 3,5 мкм в световодах Er³⁺: ZrF₄. Наконец, о самой большой длине волны, полученной с помощью волоконного лазера на сегодняшний день, два десятилетия назад сообщил Шнайдер и др., которые продемонстрировали выходную мощность 11 мВт на длине волны 3,9 мкм на переходе гольмия (Ho³⁺) ⁵I₅ → ⁵I₆  в волокне ZrF₄.Однако данный ВЛ имел серьезный недостаток, заключающийся в том, что для достижения порога генерации требовалось охлаждение жидким азотом и накачка титан-сапфировым лазером. Это проистекает из фононных свойств стекол на основе ZrF₄, которые препятствуют лазерному излучению на длинных волнах по двум основным причинам: во-первых, из-за того, что излучение РЗ ионов деградирует под воздействием многофононного (МФ) тушения, которое экспоненциально растет с увеличением длины волны и температуры; во-вторых, лазерному излучению на более длинных волнах также препятствует прозрачность стекла ZrF₄, которая быстро падает при достижении 4 мкм. Поэтому, в целях обеспечения подходящих оптических свойств для лазерного излучения около 4 мкм и выше, были предприняты попытки поиски различных стеклянных матриц с РЗ. Появление в последнее время нового поколения стеклянных волокон InF₃ с низкими потерями и высокой концентраций РЗ с шириной окна пропускания до 5 мкм представляет собой решающий шаг на пути к новому поколению волоконных лазеров для среднего ИК диапазона.

Рисунок 1. Зависимость выходной мощности ВЛ среднего ИК, легированного РЗ элементами при комнатной температуре в непрерывном режиме

Таким образом, в данной статье пойдет речь о самом длинноволновом волоконном лазере с диодной накачкой при комнатной температуре, работающем на длине волны 3,92 мкм на основе нового стекловолокна из фторида индия, легированного гольмием (Ho³⁺: InF₃). Высокая концентрация Ho³⁺ нужна для усиления ап-конверсии. При поглощении из возбужденного состояния (ПВС) на длине волны накачки 888 нм свободно работающий резонатор выдает около 200 мВт мощности с дифференциальной эффективностью около 10%. Эта показывает преимущества использования волокон InF₃ для получения длинноволновых переходов в РЗ ионах при комнатной температуре и знаменует собой новое поколение ВЛ среднего ИК, излучающих около 3,9 мкм и выше.

Диаграмма парциальных уровней энергии системы Ho³⁺: InF₃ вместе с соответствующими физическими процессами представлена ​​на рисунке 2 (а), где в правой части указаны времена жизни различных энергетических уровней. Поглощение из основного состояния (ПОС) на 888 нм на переходе ⁵I₈ → ⁵I₅ обеспечивает прямую накачку верхнего лазерного уровня с переходом на 3.9 мкм. На рисунке 2 (c) представлено сечение этого перехода, которое достигает максимума при 888 нм и составляет 4,3 × 10^-26 м^-2. Такая длина волны накачки легко обеспечивается с помощью мощных многомодовых лазерных диодов и предлагает простой и удобный подход для генерации излучения на 3 мкм в волокнах Ho³⁺: InF₃. Лазерное излучение около 3,9 мкм происходит между двумя возбужденными уровнями системы Ho³⁺: InF₃ на переходе ⁵I₅ → ⁵I₆.  Как представлено на рисунке 2 (b), сечение этого перехода было измерено в объемном Ho³⁺: InF₃. Можно видеть, что он имеет диапазон от 3840 до 4020 нм, перекрывая окно пропускания атмосферы на 3,9 мкм и имеет пиковое сечение 3,4 × 10^-25 м^-2 около 3,92 мкм. Измеренное время жизни верхнего лазерного уровня ⁵I₅ в объемном Ho³⁺: InF₃, включая радиационный и безызлучательный распад, составило 135 мкс. Для сравнения, измеренное время жизни того же уровня в Ho³⁺: ZrF₄ составляет 43 мкс, что объясняется более высокой энергией фононов ZrF₄ (574 см^-1) по сравнению с InF₃ (509 см ^-1). Тем не менее, переход на 3,9 мкм в стеклах Ho³⁺: InF₃ остается самоограничивающимся, поскольку время жизни нижнего уровня (⁵I₆) в 46 раз больше времени жизни верхнего. Однако недавние спектроскопические исследования показали, что это ограничение можно снять с помощью высоких концентраций Ho³⁺, который усиливает процессы ап-конверсии. Более того, ПВС при 888 нм также может происходить на переходе ⁵I₇ → ⁵F₅, что оказывает двойное влияние на эффективность лазера на 3,9 мкм. Она не только противодействует образованию заторов на долгоживущем уровне ⁵I₇, но и фактически переводит ионы с последнего уровня на уровень ⁵F₅, которые затем падают МФ до уровня ⁵I₅. Среди различных переходов, о которых сообщалось в Ho³⁺: InF₃, тот, который проиллюстрирован на рисунке 2 (а) (т.е. ⁵I₆, ⁵I₆ → ⁵I₈, ⁵F₅), наиболее благоприятен для лазерного излучения на длине волны 3,9 мкм. Ап-конверсия способствует инверсии населенности перехода 3,9 мкм, поскольку она удаляет два иона с нижнего энергетического уровня ⁵I₆ и возвращает один из этих ионов обратно на верхний лазерный уровень ⁵I₅. Подобный механизм рециркуляции уже используется для увеличения эффективность самоограниченного перехода ⁴I_11∕2 → ⁴I_13∕2 в сильнолегированных волоконных лазерах на Er³⁺:ZrF₄ на длине волны 2,8 мкм.

Рисунок 2. а) Схема энергетических уровней Ho³⁺: InF₃ с соответствующими физическими процессами; (б) сечение излучения ⁵I₅ → ⁵I₆; (в) сечение поглощения ⁵I₈ → ⁵I₅. GSA – поглощение из основного состояния; ESA – поглощение из возбужденного состояния; ETU – Ап-конверсия, повышающая преобразование передачи энергии

Схема волоконного лазера 3,92 мкм, работающего при комнатной температуре приведена на рисунке 3. Полость волокна изготовлена из 23 см, 10 мол % Ho³⁺: InF₃ волокна с двойной оболочкой, разработанного Le Verre Fluoré. Короткая длина волокна была выбрана для ограничения реабсорбции излучения с основного уровня, которое может происходить при недостаточной накачке. Молярный состав сердцевины волокна: 31InF₃-30,5BaF₂-19ZnF₂-9,5SrF₂-10HoF₃, а молярный состав оболочки: 41InF₃-33BaF₂-18ZnF₂-8SrF₂. Многомодовая сердцевина волокна имеет диаметр 16 мкм и числовую апертуру (NA) 0,2. Диаметр оболочки составляет 100 мкм. Она покрыта фторакрилатом с низким показателем преломления, который обеспечивает многомодовое наведение (NA> 0,4) на длине волны 890 нм и усечена двумя параллельными плоскостями, разделенными на 90 мкм для увеличения поглощения накачки оболочки. Как показано на рисунке 4, затухание в сердцевине вытянутого волокна в области 3,4–4,0 мкм лежит ниже 0,2 дБ / м, что делает волокно InF₃ подходящим для лазерного излучения на 3,9 мкм.

Рисунок 3. Схема экспериментальной установки волоконного лазера 3,92 мкм, способного работать при комнатной температуре. LD – многомодовый лазерный диод 888 нм, L1-L2 – расширяющая и фокусирующая линзы 1:2 соответственно, M1-M2 – зеркала с золотым напылением, DM1 – дихроичное зеркало, напыленное на кварц, DM2 –дихроичное зеркало, напыленное на ZnSe, PF – фильтр возбуждения

Рисунок 4. Ослабление излучения в сердцевине волокна Ho³⁺:InF₃ в диапазоне от 0.5 до 5 мкм

Зависимость выходной мощности на 3,92 мкм от мощности накачки 888 нм представлена ​​на рисунке 5. Порог лазерной генерации находится на уровне 4,3 Вт, а дифференциальная эффективность составляет 10,2%. Основываясь на поглощении при единичном прохождении накачки, эффективность по отношению к потребляемой мощности накачки была оценена примерно в 24%, то есть близка к эффективности Стокса системы, равной 23%. Следует отметить, что эффективность Стокса не учитывает рециркуляцию возбуждения через ап-конверсию. Рекордная выходная мощность 197 мВт была достигнута при мощности возбуждения накачки 6,2 Вт. Выше этого уровня накачки из-за избыточной тепловой нагрузки резонатор выходил из строя на стыке между волокном и входным дихроичным зеркалом. На рисунке 6 показан выходной спектр лазера при различных мощностях. Свободно вращающийся резонатор излучает четыре различных лазерных полосы между 3917 и 3924 нм, которые расположены около пика сечения излучения, измеренного в объемном Ho³⁺: InF₃ с идентичный составом. Сканирование в широком диапазоне длин волн не выявило каких-либо спектральных особенностей вблизи 2,1 и 2,9 мкм, которые могли возникнуть при переходах с нижних энергетических уровней. Этим переходам, возможно, препятствовали процессы ПВС и Ап-конверсии, показанные на рисунке 2, в пользу перехода 3,9 мкм.

Рисуноу 5. Зависимость выхоной мощности на 3,92 мкм от мощности накачки

Рисунок 6. Спектр Ho³⁺: InF₃ при различных мощностях

Когда диод накачки работал на малых мощностях, флуоресценция, излучаемая световодом Ho³⁺: InF₃, имела ярко-красный цвет. По мере увеличения мощности накачки красная флуоресценция увеличивалась, в то время как дополнительные видимые компоненты придавали волокну больше розового свечения. При максимальной вводимой мощности накачки 6.2 Вт на входе в резонатор Ho³⁺: InF₃ отчетливо наблюдалась зеленая видимая флуоресценция. Изменение цвета волокна дает представление о кинетике населенностей локальных энергетических уровней. Постоянная красная флуоресценция, испускаемая ионами Ho³⁺, соответствует спонтанному радиационному переходу в основное состояние, происходящее с уровня ⁵F₅, что указывает на рост населенности на этом уровне. Это наблюдение согласуется с энергетической диаграммой уровней, изображенной на рисунке 2, где видно, что ПВС на 888 нм от уровня ⁵I₇ и ап-конверси с уровня ⁵I₆ способствует продвижению ионов на уровень ⁵F₅. Более того, красная флуоресценция предполагает, что вклад ПВС и Ап-конверсии увеличивает эффективность лазера на 3,9 мкм, позволяя рециркулировать возбуждение накачки и организуя заторы для ионов на нижних энергетических уровнях (⁵I₇, ⁵I₆). Что касается дополнительных видимых флуоресцентных компонентов, излучаемых волокном при более высоких уровнях накачки, спектроскопические исследования объемных Ho³⁺:ZrF₄ показывают, что они являются результатом второго ПВС на 888 нм, происходящего с уровня ⁵I₅. Кроме того, с помощью предварительного численного моделирования было исследовано преимущество ПВС на 888 нм (⁴I₇ → ⁴F₅) и Ап-конверсии 3,9 мкм. Хотя точность модели сильно ограничена, с учетом того, что важнейшие спектроскопические параметры в настоящее время неизвестны, модель ясно показывает, что никакого выигрыша достигнуто быть не может, если не произойдет ап-конверсии. Более того, хотя для получения усиления на 3,9 мкм одного ПВС недостаточно, моделирование также подтверждает преимущество ПВС в отношении усиления при возникновении ап-конверсии.

© Le Verre Fluoré

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Le Verre Fluoré на территории РФ