CC BY
13вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
СЕЛЕКТИВНОЕ УСИЛЕНИЕ РАБОЧЕЙ МОДЫ ГИБРИДНОГО СВЕТОВОДА С АНОМАЛЬНОЙ В ОБЛАСТИ 1 МКМ
ДИСПЕРСИЕЙ
1 * 2 2 3 3
Алешкина С.С. , Липатов Д.С. , Салганский М.Ю. , Таусенев А.В. , Шепелев Д.В. ,
Бубнов М.М.1, Гурьянов А.Н.2, Лихачев М.Е.1
1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва, Россия 2Институт химии высокочистых веществ РАН, г. Нижний Новгород, Россия 3 ООО «Авеста - Проект», г.Троицк, Россия * E-mail: sv [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16084
Длительность импульсов источников лазерного излучения, работающих в спектральном диапазоне около 1 мкм, в первую очередь определяется дисперсией компонентов, образующих лазерную схему. Поэтому создание полностью волоконных лазеров и усилителей, излучающих на длине волны около 1 мкм (работа иттербиевых волоконных источников), с длительностью импульсов менее 1 псек ограничено отсутствием коммерчески доступных волоконных световодов с аномальной в области 1 мкм дисперсией. Ранее для компенсации дисперсии полностью волоконных лазерных схем нами была разработана и реализована конструкция гибридного световода с аномальной в области 1 мкм дисперсией [1]. Структура световода представляла собой сердцевину с показателем преломления выше уровня кварцевого стекла, окруженную одним или двумя оптически более плотными кольцевыми слоями. Важным свойством разработанной структуры было то, что соответствующий подбор параметров световода позволял контролировать не только величину и знак дисперсии, но так же и наклон дисперсии. В то же время основной проблемой практического применения таких световодов в схемах лазеров и усилителей была неодномодовость гибридной структуры. Несмотря на то, что непосредственно в сердцевине была локализована преимущественно только одна гибридная мода, часть мощности (~20-30%) введенного излучения распространялась в модах кольцевых слоев за счет не нулевого интеграла перекрытия с возбуждающим пучком. Чтобы устранить нежелательные моды световода нами был разработан и апробирован метод селективного подавления мод, предполагающий введение в положение минимума рабочей гибридной моды сильно поглощающего кольцевого слоя [2]. Основным недостатком такого подхода были высокие потери на распространение гибридной моды, являющиеся следствием ограниченной области минимума интенсивности гибридной моды, а так же ограниченной точности технологического воспроизведения профиля показателя преломления. В настоящей работе для создания условий квазиодномодового режима распространения гибридной моды в конструкции гибридного световода применена методика селективного усиления рабочей моды, заключающаяся в частичном легировании области сердцевины, где гибридная мода имеет максимум интенсивности.
Заготовка световода была реализована методом MCVD. В качестве матрицы сердцевины была использована нечувствительная к эффекту фотопотемнения фосфороалюмосиликатная матрица, позволяющая введение 2 вес% Yb в сетку кварцевого стекла, без существенного увеличения апертуры световода [3]. Заготовка световода была сполирована до формы квадрата (чтобы обеспечить лучшее перемешивание мод излучения накачки, распространяющейся по оболочке), и световод с внешними параметрами 120 мкм х 120 мкм был вытянут в отражающем полимерном покрытии, обеспечивающем NA-0.45. На рисунке 1 приведен профиль показателя преломления реализованного световода. Штриховой линией показана область легирования световода ионами Yb3+. Кроме того, на рисунке 1 показано рассчитанное по измеренному профилю показателя преломления распределение интенсивности поля гибридной моды, а так же полей нескольких мод оптически более плотных кольцевых слоев. Важно отметить, что гибридная мода LP03 имела наибольшее перекрытие с областью легирования (74%) по сравнению с остальными модами световода, а, следовательно, именно эта мода имела наибольший коэффициент усиления при работе световода в лазерной схеме.
Исследование модового состава световода было проведено путем детектирования распределения интенсивности поля моды на выходе реализованного гибридного световода длиной около 8 м, измеренного в ближнем поле, в режиме, когда световод работал как усилитель. При этом было рассмотрено два случае: когда на входе в световод преимущественно возбуждается гибридная мода, и случай, когда преимущественно возбуждаются моды кольцевых слоев. Установлено, что в обоих экспериментах мода на выходе из световода соответствует гибридной моде LP03, что подтверждает одномодовость реализованной конструкции световода. Измерение дисперсии световода
168 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
интерференционным методом показало, что на длине волны 1030 нм дисперсия световода составляет 85 псек/(нм км). Измеренное поглощение по оболочке на длине волны 915 нм было 0.75 дБ/м.
с
0,02
0,01 -
0,00
-0,01 -
радиус, мкм
Рисунок 1. Измеренный профиль показателя преломления световода и рассчитанное распределение
интенсивностей полей гибридной моды и нескольких мод кольцевых слоев Реализованный световод был использован в схеме волоконного нелинейного усилителя. В качестве источника задающего сигнала нами был выбран коммерчески доступный источник чирпированных импульсов с центральной длиной генерации 1,03 мкм, шириной спектра 11 нм и частотой повторения импульсов 42 МГц. Длительность импульсов контролировалась посредством объемных дифракционных решеток, установленных перед каскадом усиления. Длительность импульса задающего сигнала, равная 1 псек, была выбрана для выполнения настоящего эксперимента. Гибридный световод длиной 1.7 м был подварен к волоконному объединителю мощности сигнала и накачки 2+1 в 1. В качестве источника накачки был использован стабилизированный по длине волны полупроводниковый диод, пигтелированный волоконным световодом, с центральной длиной волны генерации 976 нм. Выходной торец гибридного световода был сколот под углом, чтобы предотвратить обратное отражение. Непоглощенная мощность накачки была отведена из системы посредством дихроичного зеркала. На выходе реализованного усилителя были получены импульсы с длительностью 90 фсек и пиковой мощностью 9.9 кВт, что является рекордным значением для полностью волоконных импульсных систем фемтосекундной длительности. Результат измерений длительности импульсов и спектр на выходе гибридного световода приведены на рисунке 2. Дальнейшее увеличение мощности накачки приводило к искажению формы импульсов и деградации выходного спектра.
б
-1000 -500 0 500
задержка, фс
1000
1000 1020 1040 1060
длина волны, нм
1080
Рисунок 2. Длительность (а) и спектр (б) импульсов, измеренные на выходе гибридного световода
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 18-19-00687. Литература
1. Svetlana S. Aleshkina, et al, Opt. Express 21, 23838-23843 (2013)
2. Aleshkina, Svetlana et. al, IEEE J. ofSel. Topics in Quantum Electronics 24, 1-8. (2018)
3. Likhachev M., et al, in CLEO/Europe and EQEC 2011 Conference Digest, OSA Technical Digest (CD), paper CJ_P24 (2011)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
