Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал

    Фотон-експрес


    Наукова стаття на тему 'Лазери спектрального діапазону 2. 5? 5 мкм на основі кварцових світловодів з порожнистої серцевиною '

    Текст наукової роботи на тему «Лазери спектрального діапазону 2. 5? 5 мкм на основі кварцових світловодів з порожнистої серцевиною »

    ?ЛАЗЕРИ СПЕКТРАЛЬНОГО діапазону 2.5 - 5 МКМ НА ОСНОВІ КВАРЦОВИХ СВЕТОВОДОВ

    З порожній серцевині

    *

    Гладишев А. В.

    Науковий центр волоконної оптики РАН, м.Москва * E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    DOI 10.24411 / 2308-6920-2019-16118

    Створення світловодів з порожнистої серцевиною (СПС) відкрило шлях до розробки лазерів нового типу - газових волоконних лазерів (ГВЛ). Такі джерела випромінювання можуть поєднувати в собі переваги як волоконних лазерів (компактність, низький поріг генерації, одномодовое випромінювання), так і газових лазерів (висока вихідна потужність, мала ширина лінії генерації). Завдяки сильній локалізації випромінювання в порожній серцевині деяких типів СПС, ГВЛ дозволяють генерувати випромінювання навіть у тих областях спектра, де оболонка СПС має сильне фундаментальне поглинання. Зокрема, залишаючись в рамках добре освоєної технології кварцового скла, ГВЛ здатні генерувати в середньому ІК діапазоні, що представляє великий інтерес через наявність в ньому ліній поглинання багатьох хімічних сполук.

    За останні роки було отримано цілий ряд нових результатів, що продемонстрували можливість створення в спектральному діапазоні 2.5 + 5 мкм ефективних ГВЛ на основі порожнистих світловодів з кварцового скла. У даній роботі представлений короткий огляд останніх досягнень в цій галузі досліджень.

    лазер (

    -|

    накачування

    Л1

    газ

    -?ьм

    лг

    IV

    СПС

    і

    Мал. 1. Типова схема газових волоконних лазерів. Л1 і Л2 - лінзи для введення і виведення випромінювання з порожнистої серцевини світловоду, заповненої активним газом

    Найбільш поширеним підходом при створенні газових волоконних лазерів є застосування безрезонаторной однопрохідної схеми (рис. 1). Торці СПС герметично фіксуються в мініатюрних газових кюветах, які мають віконця для введення / виведення випромінювання і дозволяють закачувати в порожнисту серцевину різні гази, службовці активним середовищем лазера. Ключовим фактором, що дозволив просунутися в середній ІК діапазон, є використання СПС з негативною кривизною кордону серцевина-оболонка (рис. 2) [1-3], які дозволяють знизити оптичні втрати в световоде на 3 порядки в порівнянні з поглинанням кварцового скла в цьому діапазоні спектра. При цьому порожнистий світловод забезпечує малий діаметр поля моди (~ 20 + 70 мкм) і велику довжину (~ 1 + 20 м) взаємодії випромінювання з активним середовищем.

    Мал. 2. Мікрофотографії торців кварцових СПС з негативною кривизною кордону серцевина-оболонка. а) світловод типу Кагоме [1], б) револьверний світловод [2] і в) світловод з оболонкою у формі

    «Парашутом» [3]

    ГВЛ на основі інверсіїзаселеність. Застосування в якості активного середовища дипольно-активних молекулярних газів дозволяє отримувати генерацію в середньому ІК діапазоні за рахунок інверсіїзаселеність між колебательно-обертальними енергетичними рівнями молекул. Як накачування використовуються лазерні джерела ближнього ІЧ діапазону, що володіють перебудовою по довжині хвилі, яка необхідна для точного попадання в вузькі (Av ~ 1 ГГц) лінії поглинання активного газу. При накачуванні перебудовуваним випромінюванням параметричних генераторів були продемонстровані наносекундні ГВЛ на основі таких газів як С2Н2, С02, И20 і СО,

    236 №6 2019 СПЕЦВИПУСК «ФОТОН-ЕКСПРЕС-НАУКА 2019» Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    генеруючі на довжинах хвиль 3.1, 4.3, 4.6 і 4.67 мкм, відповідно [1, 4]. Оскільки в таких ГВЛ перехід з нижнього лазерного рівня в основний стан відбувається безвипромінювальної, за рахунок зіткнень молекул газу, то для ефективної і стабільної роботи лазера необхідно оптимізувати тиск газу. Характерне тиск активного газу в ГВЛ лежить в діапазоні

    0.001.| 0.1 атм.

    Найбільший розвиток отримали ГВЛ на основі ацетилену С2Н2. Для цього газу довжина хвилі накачування (1.53 мкм) потрапляє в смугу посилення іонів ербію, що дозволило використовувати в якості накачування ербіевие волоконні лазери [5]. На сьогоднішній день в ГВЛ на основі ацетилену С2Н2 досягнута безперервна генерація з вихідною потужністю 1.1 Вт на довжині хвилі 3.1 мкм [3]. При цьому ефективність генерації по відношенню до поглиненої потужності накачування становить 33%. Крім того, реалізована ступінчаста перебудова довжини хвилі генерації в діапазоні 3.09 - 3.21 мкм з кроком ~ 4 нм [6]. Немає сумнівів, що в недалекому майбутньому аналогічний прогрес буде досягнутий в ГВЛ на основі CO2, випромінюючих в області 4.3 мкм і накачувати випромінюванням Туліїв волоконних лазерів в області 2 мкм.

    Раманівське ГВЛ. Застосування в якості активного середовища раманівське-активних газів істотно розширює доступний діапазон довжин хвиль генерації. Особливий інтерес представляють легкі молекулярні гази, такі як Н2, D2, CH4, оскільки вони володіють великим раманівське зрушенням (4155 см-1, 2987 см-1, 2917 см-1, відповідно), що дозволяє створювати однокаскадні раманівське ГВЛ середнього ІЧ діапазону, джерелом накачування для яких можуть служити імпульсні волоконні лазери, що генерують в добре освоєних спектральних діапазонах близько ~ 1.0, 1.5 і 2.0 мкм. Типові значення тиску газу в рамановских ГВЛ складають ~ 10 атм і більше.

    За останні три роки на основі кварцових револьверних світловодів, заповнених ізотопами водню (Н2, D2), продемонстровані наносекундні раманівське ГВЛ на довжинах хвиль 2.9, 3.3, 3.5 і 4.4 мкм [7, 8]. Квантова ефективність в перших роботах становила -10 ^ 15%. В результаті оптимізації раманівського ГВЛ на основі Н2 квантова ефективність перетворення 1.56->4.42 мкм досягла теоретичної межі 55%, обумовленого оптичними втратами (~ 1 дБ / м) на довжині хвилі генерації [2]. Середня вихідна потужність на довжині хвилі 4.42 мкм склала 1.4 Вт, незважаючи на великий квантовий дефект перетворення 1.56-4.42 мкм.

    На основі кварцових СПС, заповнених метаном (CH4), реалізовані Двокаскадні раманівське ГВЛ середнього ІЧ діапазону. При накачуванні наносекундной імпульсами (-0.4 нс) на довжині хвилі 1.06 мкм продемонстроване раманівське перетворення 1.06-1.54-2.81 мкм із квантовою ефективністю 65% [9]. Крім того, показано ефективне перетворення 1.06-1.54-2.81 мкм в пикосекундной режимі (12 пс) [10]. Квантова ефективність склала 40%, а пікова вихідна потужність сягала 10 МВт на довжині хвилі 2.81 мкм. Перспективною, але поки ще не вирішеним завданням залишається розробка фемтосекундних рамановских ГВЛ середнього ІЧ діапазону.

    Таким чином, досягнуті за останній час результати по лазерної генерації в спектральної області 3 ^ 5 мкм, переконливо демонструють, що газові волоконні лазери можуть бути ефективними джерелами лазерного випромінювання середнього ІЧ діапазону. При цьому вони мають великий потенціал для нарощування середньої та пікової вихідної потужності. Такі лазери, безсумнівно, знайдуть різноманітні застосування в таких областях як біомедицина, газоаналізу і обробка матеріалів.

    Робота виконана за підтримки гранту РНФ №19-12-00361.

    література

    1. Nampoothiri A. V. V., et al, Opt. Mater. Express 2, 948-961 (2012)

    2. Astapovich M. S, et al, IEEE Photonic. Tech. Lett., 31 (1), 78-81 (2019)

    3. Xu M, et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 24 (3), 1-8, Art no. 0902308 (2018)

    4. Aghbolagh F. B. A., et al., Opt. Lett. 44, 383-386 (2019)

    5. WangZ., Et al, Opt. Express 22, 21872-21878 (2014 року)

    6. Zhou Z., et al, Opt. Express 26, 19144-19153 (2018)

    7. Gladyshev A. V., et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 24 (3), 1-8, Art no. 0903008, (2018)

    8. Gladyshev A. V., et al, Quantum Electron. 47 (12), 1078-1082 (2017)

    9. Li Z., et al., Opt. Lett. 43, 4671-4674 (2018)

    10. Cao L., et al., Opt. Express 26 (5), 5609-5615 (2018)

    №6 2019 СПЕЦВИПУСК «ФОТОН-ЕКСПРЕС-НАУКА 2019» Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. 237


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити