Лазеры на основе оптических волокон, легированных ионами гольмия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

005011814

ШОЛОХОВ ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ ГОЛЬМИЯ

Специальность 01.04.21 - «Лазерная физика»

1 2 (::др Ш1

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2012

005011814

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Курков Андреи Семенович Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук

Бабин Сергей Алексеевич

(Институт автоматики и электрометрии СО РАН)

кандидат физико-математических наук Сидоров-Бирюков Дмитрий Александрович (Международный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова)

Ведущая организация:

Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва

Защита состоится 9 апреля 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.03 при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.

Автореферат разослан «¿/}» rf'Pb frAA А 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.063.03 кандидат физико-математических наук

Т.Б. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной квантовой электроники. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Ряд преимуществ волоконных лазеров по сравнению с традиционными квантовыми генераторами позволяют им найти различные применения, среди которых телекоммуникация, медицина, обработка материалов, оптическая локация, беспроводная оптическая связь и др. В ряде применений волоконные лазеры уже заменяют традиционные излучатели.

В настоящее время разработаны и промышленно производятся мощные лазеры на основе волокон, легированных ионами УЬ3+, Ег3+, Тш3+. Получили распространение волоконные лазеры на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния. Ведутся активные исследования лазеров на основе волокон, легированных висмутом. Эти источники в совокупности позволяют перекрыть спектральный диапазон от 1 до 2 мкм.

В то же время волоконные лазеры, излучающие на длинах волн более 2 мкм, разработаны значительно слабее. Интерес к таким источникам обусловлен тем, что в области 2.1-2.2 мкм расположен локальный максимум пропускания атмосферы. Кроме того, в медицине достаточно широкое распространение нашли твердотельные гольмиевые лазеры, излучающие на длине волны 2.05 мкм. Широкое клиническое применение таких лазеров обусловлено высоким коэффициентом поглощения излучения биотканями. Замена твердотельных лазеров на компактные волоконные устройства позволила бы упростить использование таких излучателей в медицинской практике.

В диссертационной работе рассматривается возможность реализации эффективных гольмиевы лазеров в полностью волоконном исполнении, излучающих на длинах волн более 2 мкм. К достоинствам данного типа лазеров можно отнести компактность, высокую эффективность генерации и качество пучка, отсутствие сложного обслуживания при эксплуатации.

Цель и задачи работы

Разработка эффективных волоконных лазеров на базе оптического волокна, легированного ионами гольмия. Изучение влияния концентрации легирующей примеси на динамические характеристики, и на эффективность генерации

3

гольмиевых волоконных лазеров. Разработка оптической схемы импульсного гольмиевого волоконного лазера.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Оптимизация концентрации ионов гольмия при легировании кварцевого волокна. Исследование спектра оптических потерь кварцевого волокна в диапазоне генерации гольмиевых волоконных лазеров (2-2.15 мкм).

2. Проведение экспериментов по оптимизации оптической схемы лазера для повышения эффективности генерации лазера.

3. Исследование нелинейного пропускания оптических волокон, легированных ионами гольмия, и проведение экспериментов по использованию гольмиевого волокна в качестве насыщающегося поглотителя в схемах импульсных волоконных лазерах.

Научная новизна

1. В результате оптимизации активного волокна и схемы лазера реализован волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью генерации, составившей 81%. Измерена спектральная эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров.

2. Обнаружен и исследован динамический режим работы гольмиевых лазеров в зависимости от концентрации ионов гольмия в активном волокне.

3. Разработана оригинальная схема итгербиевого волоконного лазера с модуляцией добротности с использованием гольмиевого волокна в качестве пассивного затвора.

4. Предложена и реализована схема импульсного гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме модуляции добротности, где в качестве затвора использовался отрезок высококонцентрированного гольмиевого волокна.

Практическая ценность

Реализован ряд эффективных источников лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона с длиной волны излучения 2-2.15 мкм, которые могут быть использованы для мониторинга газового состава воздуха, для лазерной локации, в системах связи, в медицине, в тепловидении, для военно-технических применений. Кроме того, излучение среднего инфракрасного диапазона менее опасно для зрения по сравнению с видимым и ближним инфракрасным диапазоном, что упрощает практическое использование источников лазерного излучения данного типа. 4

. Защищаемые положения

1. Иттербиевые волоконные лазеры длинноволнового диапазона эффективны для накачки гольмиевых волоконных лазеров. Реализация набора гольмиевых лазеров, а также широкополосного источника двухмикронного диапазона.

2. Концентрация легирующей примеси и состав сетки стекла влияет на эффективность генерации, возможность ее оптимизации, а также оптимизация схемы лазера для повышения эффективности генерации.

3. Концентрация примеси ионов гольмия влияет На динамические характеристики лазера и на получение непрерывного режима генерации.

4. Оптическое волокно, легированное ионами гольмия, эффективно работает в качестве насыщающегося поглотителя в схеме импульсного итгербиевого волоконного лазера.

5. Реализация гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме пассивной модуляции добротности.

Личный вклад диссертанта

Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы

Основные результаты были доложены на международных конференциях CLEO/Europe-2009, CLEO/Europe-2011 (Мюнхен, Германия), на международной конференции Advanced Laser Technologies - 2010 (г. Игмонд ан Зии, Нидерланды), на XX международной конференции Laser Physics Workshop - 2011 (г. Сараево, Босния и Герцеговина), на втором (Саратов, 2008 г.), третьем (Уфа, 2009 г.) и четвертом (Ульяновск, 2010 г.) российском семинаре по волоконным лазерам, на шестой (г. Саранск, 2007 г.) и седьмой (г. Саранск, 2008 г.) всероссийской научной школе, на второй (Пермь, 2009 г.) и третьей (Пермь, 2011 г.) всероссийских конференциях по волоконной оптике, на XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010» (г. Москва, 2010 г.), на XII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (о. Байкал, пес. Хужир, 2010 г.), а также докладывались на конкурсе молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН (г. Москва, 2010 г.).

Публикации

Основные результаты опубликованы в 10 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и в 15 тезисах российских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 100 страниц, включая 68 рисунков и список литературы из 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Указаны основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор литературных данных по волоконным лазерам, где гольмиевый волоконный лазер рассматривается как частный пример одного типа волоконных лазеров.

В первом разделе кратко описаны основные характеристики оптического волокна, легированного ионами гольмия, которые были найдены при анализе литературных данных. Представлена схема энергетических уровней ионов гольмия, спектр оптических потерь в видимом и инфракрасном оптическом диапазоне. Проведено сравнение различных способов накачки и предложено использовать иттербиевый волоконный лазер длинноволнового диапазона для накачки гольмиевых волоконных лазеров.

Второй раздел посвящен концентрационным эффектам, которые имеют место в волоконных лазерах и усилителях. На примере работ по эрбиевым волоконным лазерам дан обзор основных эффектов, связанных с высокой концентрацией легирующей примеси. Кратко описана методика оценки степени кластеризации активных ионов, объединенных в пары. Показано что теоретические расчеты совпадают с экспериментальными данными. Проанализированы литературные данные о влиянии высокой концентрации как на динамические характеристики, так и на эффективность генерации эрбиевых волоконных лазеров. Сделано предположение, что при высокой концентрации активных ионов могут наблюдаться похожие режимы в гольмиевых волоконных лазерах.

В третьем разделе проведен краткий анализ методов получения модуляции добротности в волоконный лазерах. Показано, что при использовании волоконных насыщающихся поглотителей возможно наиболее просто реализовать режим модуляции добротности в схемах полностью волоконных лазеров. Кратко проанализированы работы, посвященные различным схемам, где используется данный метод получения импульсного режима, представлены основные характеристики импульсных лазеров.

В четвертом разделе сформулированы и перечислены основные задачи, которые были поставлены при выполнении диссертационной работы.

Вторая глава содержит описание основных характеристик активных волокон, легированных ионами гольмия, с применением которых были получены результаты защищаемой работы.

В первом разделе дано краткое описание технологии, с помощью которой были изготовлены волокна, легированные ионами гольмия. Представлены характеристики используемых волоконных образцов, включая концентрации активных ионов для каждого из образца. На основе экспериментальных данных дана оценка сечения поглощения и сечения люминесценции ионов гольмия.

Во втором разделе описана типичная схема итгербиевого лазера и методика определения концентрации активных ионов, объединенных в кластеры. Показано, что относительная доля кластеризованных ионов возрастает с ростом абсолютной концентрации активных ионов. Представлены результаты по измерению доли активных ионов, релаксирующих на основной уровень, для волокон с различной концентрацией ионов гольмия.

В третьем разделе представлено описание схемы лазера, компонентов и технологии, которые позволили реализовать полностью волоконную конструкцию гольмиевого лазера без использования объемных элементов.

Третья—глава посвящена изложению результатов экспериментов по исследованию свойств гольмиевых волоконных лазеров.

В первом разделе представлены результаты экспериментальных исследований гольмиевых лазеров, которые были собраны при использовании гольмиевого волокна с высокой концентрацией активных ионов.

Из-за влияния дополнительных оптических потерь для эффективности генерации длинноволновых лазеров существенное значение имеет длина активного волокна в резонаторе. Поэтому для экспериментов был выбран образец активного волокна, с высокой концентрацией ионов гольмия Ы=12.5-1019 см"3. Схема лазера представлена на рис. 1.

Накачка 3+

Но- волокно

Выход

УЬ^ двухзлементное волокно [ С )

' I III . HI Л /

100% брэгговская решетка /

X. = 1120-1150 нм 20 - 50% брэгговская решетка 100% брэгговская решетка

Х= 1120-1150 нм /. = 2020-2150 нм

Рис. 1. Схема гольмиевого волоконного лазера с накачкой от иттербиевого лазера.

С использованием данного волокна было реализовано шесть лазеров с длинами волн генерации в диапазоне от 2.02 до 2.15 мкм. Длина волны генерации определялась резонансной длиной волны брэгговской решетки, используемой в качестве входного отражателя. Коэффициент отражения решетки составлял более 99%. Решетки записывались на стандартном телекоммуникационном волокне БМР-28 и сваривались с активном волокном. Перед записью волокна пропитывались водородом для повышения фоточувствительности. Диаметр поля моды на длине волны 2.1 мкм в стандартном волокне может быть оценен в 15 мкм, а для активного волокна - в 14 мкм. Таким образом, потери на сварку этих волокон были несущественными.

Реализованные и исследованные лазеры имели длины волн генерации 2.02, 2.05, 2.07, 2.1, 2.13 и 2.15 мкм. Поскольку гольмиевый лазер работает по трехуровневой схеме, длина волокна в резонаторе является критичной. Она должна обеспечить достаточное поглощение излучения накачки и усиление, с одной стороны, а с другой - не приводить к перепоглощению сигнала. Поэтому для каждого реализованного лазера подбиралась оптимальная длина активного волокна, соответствующая максимальной мощности генерации при фиксированном уровне мощности накачки. Мощность накачки на длине волны генерации итгербиевого лазера 1.125 мкм составляла 12.2 Вт. Было обнаружено, что оптимальная длина активного волокна существенно зависела от заданной длины волны генерации. При увеличении длины волны генерации от 2.02 до 2.15 мкм оптимальная длина волокна возрастала более чем в 2 раза. Это было связано с уменьшением сечения люминесценции при увеличении длины волны генерации гольмиевого лазера.

Для каждого из лазеров была измерена зависимость выходной мощности от мощности накачки при оптимальной длине гольмиевого волокна в резонаторе. Следует отметить, что для лазера, излучающего на длине волны 2.15 мкм, наблюдалось возрастание выходной мощности от 1 до 1.5 Вт в течение 6 мин. Это может объясняться саморазогреванием активной среды, при котором происходит уширение полосы поглощения и снижается конкуренция с усиленной спонтанной люминесценцией в коротковолновой области люминесценции.

Для каждого реализованного гольмиевого лазера определялась дифференциальная эффективность генерации. Это позволило построить спектральную зависимость полной и дифференциальной эффективности генерации, которая представлена на рис. 2.

36 т-

Дифференциальная

22 ^ эффективность /"

2,00 2,02 2,04 2,06 2,08 2,10 2,12 2,14 2,16

Длина волны, мкм

Рис. 2. Спектральная зависимость полной и дифференциальной эффективности генерации

Видно, что максимальная полная эффективность генерации составила около 30% на длине волны 2.1 мкм, а максимальная дифференциальная эффективность на той же длине волны составила 34 %. Следует отметить, что данная зависимость для гольмиевых волоконных лазеров была получена впервые.

Во втором разделе представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию концентрации активных ионов на эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров.

Несмотря на высокую выходную мощность 4.2 Вт, эффективность генерации гольмиевого волоконного лазера составила около 30%, что соответствует квантовой эффективности около 56%. Естественным образом возникает вопрос о причинах снижения эффективности и способах ее увеличения. Наиболее вероятным механизмом, снижающим эффективность генерации, является кластеризация активных ионов. Поэтому представляется актуальным проведение исследования влияния концентрации активных ионов на эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров, а также оптимизация концентрации с целью повышения эффективности. Для этого были реализованы лазеры на образцах, приведенных в таблице 1.

гольмиевого лазера.

Таблица 1. Параметры исследованных волокон.

№ образца Дп А1, вес. % ^-отсечки? МКМ N. 1019сш 3

250 0.006 2.4 1.55 12.5

251 0.005 2 1.25 9

262 0.003 0.8 1.2 4.1

272 0.009 3 1.8 19

286 0.005 1.5 1.5 8

288 0.006 0.8. 2.1 5.4

291 0.007 0.25 2.1 1.6

296 0.011 Не опр. 2.2 30

2106 0.012 0 1.5 2

Схема лазера была аналогична схеме, представленной на рис. 1. Таким образом были проведены исследования эффективности генерации гольмиевых волоконных лазеров, результат которых представлен на рис 3.

Мощность накачки, Вт

Рис. 3. Зависимости выходной мощности лазера от мощности накачки для различных

образцов (номера указаны рядом с кривыми)

Видно, что с уменьшением концентрации активных ионов эффективность генерации гольмиевых лазеров возрастает, что также подтверждается зависимостью представленной на рис 4.

0.36-1-

" -3

Концентрация, 10 см

Рис. 4. Зависимость дифференциальной эффективности генерации лазера от концентрации

ионов гольмия.

Таким образом, максимальная дифференциальная эффективность была получена для лазера на основе образца № 288 с концентрацией 5.4-1019 см"3.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию концентрации активных ионов на динамические характеристики генерации гольмиевых волоконных лазеров.

Динамические характеристики исследовались для нескольких образцов волокон при накачке на длине волны 1.125 мкм. Длина волны генерации определялась брэгговской решеткой с резонансом на 2.1 мкм. Для анализа динамических характеристик использовался фотодетектор на основе InGaAs, имеющий рабочий спектральный диапазон 1.2-2.6 мкм и частотный отклик до 15 МГц.

Для лазера на основе образца № 272 с концентрацией активных ионов 1.9 Ю20 см 2 был обнаружен стабильный импульсный режим генерации. На рис. 5 представлена осциллограмма типичной последовательности генерируемых импульсов. 12

ч

О)

я н о

св1

Ч £

К

ч

в £

С

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

ы

Цм1

N

Ц|и

Цф

1/Ф

0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0

Время, мкс

Рис. 5. Последовательность генерируемых импульсов

Исследование зависимости длительности импульса и частоты повторения от мощности накачки показало, что в отличие от «классической» модуляции добротности частота повторения зависит от мощности накачки нелинейным образом.

Максимальная пиковая мощность составила 25 Вт, энергия импульса 5 мкДж. Аналогичные результаты были получены и для образца № 251 с концентрацией активных ионов 9-Ю19 см"2. Стоит отметить, что при уменьшении длины волокна в резонаторе от 1.8 до 0.3 м импульсный характер генерации сохранялся вплоть до ее срыва из-за малой длины активной среды.

Для лазера на основе образца № 288 длиной около 3.5 м наблюдалась зависимость от мощности накачки не только параметров, но и характера генерации. При мощностях накачки до 6 Вт наблюдалась импульсная генерация с параметрами, близкими к предыдущему случаю. При увеличении накачки появлялся пьедестал, промодулированный по интенсивности. При дальнейшем увеличении мощности накачки характер генерации приближался к непрерывному режиму. Соответствующие осциллограммы выходного излучения представлены на рис. 6.

1,01 п 0,8-

<и

g 0,6-

ci' П

>> 0,4-s

S 0,2-<

0,0

(—-Г-^-1--г1-1-.--1"-1--1

0 2 4 6 8 10

Время, мкс

Рис. 6. Осциллограммы выходного излучения для лазера, реализованного на образце

активного волокна № 288 Очевидно, что для получения непрерывного режима генерации в широком диапазоне мощностей накачки необходимо дальнейшее уменьшение концентрации активных ионов и, соответственно, относительной концентрации их пар. При исследовании характеристик лазера, реализованного на образце активного волокна № 291 с длиной резонатора 13 м, была получена непрерывная генерация, начиная с мощностей накачки, несколько превышающих порог.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований по реализации оптической схемы широкополосного гольмиевого источника излучения. Схема источника представляла собой достаточно простую конфигурацию с торцевой накачкой как иггербиевого лазера, так и широкополосного источника. Для предотвращения перехода источника в лазерный режим отрезок волокна с выходной брэгговской решеткой на 1.12 мкм изгибался с мальм радиусом для возникновения изгибных потерь в области 2 мкм, что устраняло вероятность появления обратной связи из-за отражения на полупроводниковом диоде и торце волокна.

Широкополосное излучение в области 2 мкм наблюдалось во всем использованном диапазоне мощностей итгербиевого волоконного лазера - от 1 до 2 Вт. Мощность источника возрастала линейным образом от 1 мВт при накачке с мощностью 1 Вт до 8 мВт при 2 Вт. Ширина спектра излучения при выходной мощности в 1 мВт составила 52 нм.

Четвертая—глава посвящена исследованиям импульсных лазеров с использованием волокон, легированных ионами гольмия.

В первом разделе представлены результаты экспериментальных исследований итгербиевого волоконного лазера с насыщающимся поглотителем на основе гольмиевого волокна.

Тот факт, что полоса поглощения ионов гольмия с центром на 1.15 мкм попадает в область генерации итгербиевого волоконного лазера, позволяет рассмотреть возможность использования волокна, легированного ионами гольмия, в качестве затвора для получения импульсного режима. Поскольку время жизни ионов гольмия в возбужденном состоянии достаточно велико, то для реализации импульсного лазера была выбрана схема с использованием возбуждения лазерной генерации в волоконном поглотителе. Конфигурация лазера представлена на рис. 7.

Накачка

Выход

ill ■ ^

„34

Yb двухэлементное волокно

п

и3+

Но - волокно

Sm - волокно

-CL

30% брэгговская решетка Я = 1125 нм

III » III

^ / /

100% брэгговская решетка Ю0% брэгговская решетка Д = 2050 нм X = 1125 нм

Рис. 7. Схема импульсного итгербиевого лазера с гольмиевым затвором

Без использования затвора собранный иттербиевый волоконный лазер генерировал в непрерывном режиме на длине волны 1.125 мкм. После установки в резонатор отрезка гольмиевого волокна с парой брэгговких решеток режим генерации становился импульсным.

Соответствующая осциллограмма последовательности импульсов

представлена на рис. 8.

Рис. 8. Осциллограмма последовательности импульсов

Максимальная средняя выходная мощность составила 0.55 Вт, максимальная частота повторения импульсов 8 кГц. Энергия импульса может быть оценена как 70 мкДж, а импульсная мощность - 300 Вт.

Во втором разделе представлены результаты экспериментальных исследований гольмиевого волоконного лазера с модуляцией добротности.

Была предложена, реализована и исследована конфигурация на основе резонатора, состоящего из двух типов активных волокон: с высокой и относительно низкой концентрацией ионов гольмия. В качестве активной среды лазера использовался отрезок волокна длиной 10 м, легированный ионами гольмия с концентрацией 1.6-1019 см"3 (образец № 291). Без использования насыщающего поглотителя лазер излучал в непрерывном режиме.

Для получения импульсного режима в качестве насыщающегося поглотителя к выходному торцу этого волокна приваривался отрезок волокна с высокой концентрацией ионов гольмия - 3-1020 см"3 (образец № 296). При длине волокна с высокой концентрацией ионов гольмия 1.5 м наблюдалась генерация коротких импульсов длительностью около 20 не. Частота следования импульсов линейно возрастала с мощностью накачки, достигая 38 кГц. Порог генерации составил 4.7 Вт, максимальная мощность 1.65 Вт. Исходя из измеренных энергетических и динамических характеристик, энергия импульса может быть оценена как 50 мкДж, а пиковая мощность - 2 кВт.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований по получению импульсной генерации гольмиевого лазера с использованием затвора в виде карбоновых нанотрубок.

Слой нанотрубок толщиной 120 мкм был нанесен на высокоотражающее металлическое зеркало. Излучение накачки на длине волны 1.125 мкм вводилось через мультиплексор, который обеспечивал объединение двух излучений: на длине волны накачки и генерации.

з+

Накачка ?.= 1125 нм ,, ,„ Но-волокно

^ Мультиплексор 50^х 50

ВыХОД 10% брэгговска* решетка Карбояовые нанотрубки — Ü

X = 2100 Нм

Рис. 9. Схема гольмиевого лазера с Использованием нанотрубок в качестве пассивного затвора.

Схема лазера со встречной накачкой, которая представлена на рисунке 9, позволила разместить активное волокно непосредственно перед зеркалом и фактически увеличить его эффективный коэффициент отражения за счет уменьшения потерь между зеркалом и активным волокном. Кроме того, для того чтобы стабилизировать длину волны выходного излучения, была использована брэгговская решетка на резонансную длину волны 2.1 мкм.

Таким образом, данная схема лазера позволила реализовать режим модуляции добротности. Максимальная средняя выходная мощность составила 1.3 Вт, максимальная частота повторения импульсов 180 кГц. Энергия импульса может быть оценена как 7 мкДж.

В заключение диссертации сформулированы основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Реализован набор эффективных полностью волоконных гольмиевых лазеров с накачкой от иттербиевого волоконного лазера, а также широкополосный источник двухмикронного диапазона. Впервые измерена спектральная эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров.

2. Показано, что концентрация легирующей примеси и состав сетки стекла влияет на эффективность генерации. Оптимизирована концентрация активной примеси для повышения эффективности генерации гольмиевых волоконных лазеров. При использовании гольмиевого волокна с концентрацией активной примеси 1-6-101 см"3 реализован гольмиевый волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью генерации 81%.

3. Впервые показано, что концентрация примеси ионов гольмия влияет на динамические характеристики лазера. Показана возможность получения импульсной генерации с пиковой мощностью до 25 Вт при концентрациях активной примеси от Ю20 см"3. Обнаружено, что для получения непрерывного режима генерации необходимо использовать волокна с концентрацией ионов гольмия менее 5-Ю19 см'3.

4. Впервые реализован итгербиевый волоконный лазер с гольмиевым волокном в отдельном резонаторе в качестве насыщающегося поглотителя. Получен режим модуляции добротности с пиковой мощностью 300 Вт. Реализован гольмиевый волоконный лазер с пиковой мощностью 2.2 кВт, работающий в режим модуляции добротности.

Список публикаций по теме диссертации

1. А.С. Курков, Е.М. Шолохов, В.М. Парамонов, А.Ф. Косолапов, «Широкополосный источник излучения в области 2 мкм на основе волоконного световода, легированного ионами Но3+», Квантовая электроника, 38 (10), стр. 981-982 (2008).

2. A.S. Kurkov, Е.М. Sholokhov, O.I. Medvedkov, «All fiber Yb-Ho pulsed laser», Laser Physics Letters, 6 (2), pp. 135-138 (2009).

3. A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, O.I. Medvedkov, V.V. Dvoyrin, Yu.N. Pyrkov, V.B. Tsvetkov, A.V. Marakulin, and L.A. Minashina, «Holmium fiber laser based on the heavily doped active fiber», Laser Physics Letters, 6 (9), pp. 661-664 (2009).

4. A.G. Okhrimchuk, V.K. Mezentsev, V.V. Dvoyrin, A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, S.K. Turitsyn, A.V. Shestakov, and I. Bennion, «Waveguide saturable absorber fabricated by femtosecond pulses in YAG:Cr4+ crystal for Q-switched operation of Yb-fiber laser», Optics Letters, 34 (24), pp. 3881-3883 (2009).

5. A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, A.V. Marakulin, and L.A. Minashina, «Dynamic behavior of laser based on the heavily holmium doped fiber», Laser Physics Letters, 7 (8), pp. 587-590(2010).

6. А.С. Курков, E.M. Шолохов, A.B. Маракулин, JI.A. Минашина, «Влияние концентрации активных ионов на эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров», Квантовая электроника, 40 (5), стр. 386-388 (2010).

7. А.С. Курков, Е.М. Шолохов, А.В. Маракулин, JI.A. Минашина, «Влияние концентрации активных ионов на динамику генерации гольимиевых волоконных лазеров», Квантовая электроника. 40, стр. 858-860 (2010).

8. A.S. Kurkov, YaE. Sadovnikova, A.V. Marakulin, E.M. Sholokhov, «All fiber Er-Tm Q-switched laser», Laser Physics Letters, 7, pp. 795 -797, (2010).

9. А.С.Курков, E.M. Шолохов, В.Б.Цветков, А.В.Маракулин, Л.А.Минашина, О.И.Медведков, А.Ф.Косолапов, «Гольмиевый волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью», Квантовая электроника. 41, (2011).

10. Е.М. Sholokhov, A.V. Marakulin, A.S. Kurkov, and V.B. Tsvetkov, «All-fiber Q-switched holmium laser», Laser Physics Letters, 8,382-385 (2011).

Публикации на конференциях

11. E.M. Шолохов, А.С. Курков, «Широкополосный источник излучения на основе волоконного световода, легированного ионами гольмия». II Российский семинар по волоконным лазерам, г. Саратов. Материалы семинара, стр. 65 (2008).

12. Е.М.Шолохов, А.С.Курков, «Импульсный волоконный лазер». Седьмая всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», г. Саранск. Сборник трудов, стр. 159 (2008).

13. A.C. Курков, Е.М. Шолохов, «Импульсный волоконный Yb:Ho лазер». III Российский семинар по волоконным лазерам, г. Уфа. Сборник трудов сто 54-55

(2009). '

14. A.S. Kurkov, Е.М. Sholokhov, O.I. Medvedkov, «All fiber Yb-Ho pulsed laser». CLEO/Europe, Munich, Germany. p.CJ6.1 (2009).

15. A.C. Курков, E.M. Шолохов, О.И. Медведков, B.B. Двойрин, A.B. Маракулин, Л.А. Минашина, «Эффективные гольмиевые волоконные лазеры с мощностью до 10 Вт». II-ая Всероссийская конференция по волоконной оптике, г. Пермь. Фотон-Экспресс 6(78), стр. 64 (2009). '

16. Е.М. Шолохов, «Гольмиевый волоконный лазер двухмикронного диапазона». Конференция молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН, г. Москва. Сборник тезисов стр. 19 (2010).

17. Е.М. Шолохов, A.C. Курков, A.B. Маракулин, «Динамика лазера на основе высококонцентрированного гольмиевого оптического волокна». IV Российский семинар по волоконным лазерам, г. Ульяновск. Материалы семинара, сто 44-45

(2010).

18. A.C. Курков, Е.М. Шолохов, A.B. Маракулин, Л.А. Минашина, «Концентрационные эффекты в гольмиевых волоконных лазерах». IV Российский семинар по волоконным лазерам, г. Ульяновск. Материалы семинара, стр. 42-43 (2010).

19. Е.М. Шолохов, «Гольмиевые волоконные лазеры двухмикронного диапазона». XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010», г. Москва. Материалы конференции, стр. 89 (2010).

20. A.C. Курков, Е.М. Шолохов, A.B. Маракулин, В.В. Двойрин, «Гольмиевые волоконные лазеры». XII Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике, о. Байкал, пос. Хужир. Сборник тезисов, стр. 72 (2010).

21. Е.М. Sholokhov, «Dynamics of Ho-doped fiber laser operating at 2 micron range». Международная конференция «Advanced Laser Technologies», г.Игмонд ан Зии, Нидерланды. Book of abstracts, стр. 122 (2010).

22. A.S. Kurkov, Ya.E. Sadovnikova, E.M. Sholokhov, A.V. Marakulin, «All-fiber Q-switched Er:Tm laser». CLEO/Europe, Munich, Germany, p. CJ.P. 11 (2011).

23. A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, V.B. Tsvetkov, A.V. Marakulin, «Concentration effects in Ho-doped fiber lasers». CLEO/Europe, Munich, Germany. p.CJ.P.31 (2011).

24. A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, V.B. Tsvetkov, A.V. Marakulin, «Concentration effects in Ho-doped fiber lasers». 20th International Laser Physics Workshop (LPHYS'll). Sarajevo, Bosnia and Herzegovina. Book of Abstracts, p.8.3.3 (2011).

25. A.C. Курков, E.M. Шолохов, В.Б. Цветков, A.B. Маракулин, Л.А. Минашина, Н.И. Миловидов, О.И. Медведков, А.Ф. Косолапое, «Гольмиевый волоконный лазера с рекордной квантовой эффективностью». III-ая Всероссийская конференция по волоконной оптике (ВКВО-2011), г. Пермь, Фотон-Экспресс, 6(94), стр. 105 (2011).

Подписано в печать 09.02.2012 г. Формат 60x84/16. Заказ №9. Тираж 110 экз. П.л 1.25. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

61 12-1/842

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. А.М. ПРОХОРОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ШОЛОХОВ ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ ГОЛЬМИЯ

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Доктор физико-математических наук А.С. КУРКОВ

на правах рукописи

Москва - 2012

Содержание

Введение........................................................................................................................................3

Глава I. Гольмиевые лазеры как один из типов волоконных лазеров (по литературе)..............9

1.1. Оптические волокна, легированные ионами гольмия, и лазеры на их основе..................9

1.2. Концентрационные эффекты в волоконных лазерах и усилителях..............................15

1.3. Методы получения режима модуляции добротности в волоконных лазерах..............21

1.4. Постановка задач............................................................................................................29

Глава II. Характеристики активных волокон и лазерная схема................................................30

2.1. Основные параметры волокон, легированных ионами гольмия.....................................30

2.2. Определение концентрации активных ионов, объединенных в кластеры....................36

2.3. Схема лазера с накачкой иттербиевым волоконным лазером в области 1.15 мкм.....42

Глава III. Исследование свойств гольмиевых волоконных лазеров.........................................48

3.1. Лазеры на основе волокна с высокой концентрацией ионов гольмия............................48

3.2. Влияние концентрации активных ионов на эффективность генерации......................53

3.3. Динамические характеристики излучения гольмиевых волоконных лазеров................59

3.4. Широкополосный гольмиевый источник излучения..................... ..................................66

Глава IV. Импульсные лазеры с использованием волокон, легированных ионами гольмия.. 69

4.1. Иттербиевый волоконный лазер с поглотителем на основе голъмиевого волокна... ...69

4.2. Гольмиевый волоконный лазер с модуляцией добротности..........................................75

4.3. Импульсная генерация с использованием затвора на карбоновых нанотрубках..........81

Заключение...................................................................................................................................85

Литература..................................................................................................................................87

Введение

Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной квантовой электроники [1]. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Ряд преимуществ волоконных лазеров по сравнению с традиционными квантовыми генераторами позволяют им найти различные применения, среди которых телекоммуникация, медицина, обработка материалов, оптическая локация, беспроводная оптическая связь и др. В ряде применений волоконные лазеры уже заменяют традиционные излучатели.

В настоящее время разработаны и промышленно производятся мощные лазеры на основе волокон, легированных ионами УЬ3+ [2], Ег3+ [3], Тш3+ [4]. Получили распространение волоконные лазеры на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния [5]. Ведутся активные исследования в области лазеров на основе волокон, легированных висмутом [6]. Эти источники в совокупности позволяют перекрыть спектральный диапазон от 1 до 2 мкм.

В то же время, волоконные лазеры, излучающие на длинах волн более 2 мкм, разработаны значительно слабее. Интерес к таким источникам обусловлен тем, что в области 2.1-2.2 мкм расположен локальный максимум пропускания атмосферы. Кроме того, в медицине достаточно широкое распространение нашли твердотельные гольмиевые лазеры, излучающие на длине волны 2.05 мкм [7]. Широкое клиническое применение таких лазеров обусловлено высоким коэффициентом поглощения биотканями. Замена твердотельных лазеров на компактные волоконные устройства позволила бы упростить использование таких излучателей в медицинской практике.

В диссертационной работе рассматривается возможность реализации эффективного гольмиевого лазера в полностью волоконном исполнении, излучающего на длинах волн более 2 мкм. Актуальность исследований в этой области подтверждается возросшим в последние годы вниманием к ней со

стороны нескольких исследовательских групп по всему миру. В качестве примера можно привести группы из университетов Сиднея (Sydney) и Саутгемптона (Southampton). Следует отметить, что рассматриваемые в настоящей работе проблемы реализации гольмиевых волоконных лазеров включают в себя широкий круг вопросов, которым к настоящему времени посвящен ряд опубликованных статей, ссылки на которые будут даны по тексту при рассмотрении обсуждаемых в них вопросов. К защищаемым положениям данной диссертации относятся:

• Иттербиевые волоконные лазеры длинноволнового диапазона эффективны для накачки гольмиевых волоконных лазеров. Реализация набора гольмиевых лазеров, а также широкополосного источника двухмикронного диапазона.

• Концентрация легирующей примеси и состав сетки стекла влияет на эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров, возможность ее оптимизации, а также оптимизация схемы лазера для повышения эффективности генерации.

• Концентрации примеси ионов гольмия влияет на динамические характеристики лазера и на получение непрерывного режима генерации.

• Оптическое волокно, легированное ионами гольмия, эффективно работает в качестве насыщающегося поглотителя в схеме импульсного иттербиевого волоконного лазера.

• Реализация гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме пассивной модуляции добротности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• В результате оптимизации активного волокна и схемы лазера реализован волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью генерации, составившей 81%.

• Измерена спектральная эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров.

• Обнаружен и исследован динамический режим работы гольмиевых лазеров в зависимости от концентрации ионов гольмия в активном волокне.

• Предложена и реализована оригинальная схема иттербиевого волоконного лазера с модуляцией добротности с использованием гольмиевого волокна в качестве пассивного затвора.

• Предложена и реализована схема импульсного гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме модуляции добротности, где в качестве затвора использовался отрезок высококонцентрированного гольмиевого волокна.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований имеют широкий круг возможных применений, как в научных, так и в прикладных областях. На основе проведенных исследований реализован ряд эффективных источников лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона с длиной волны излучения 2 - 2.15 мкм, которые могут быть использованы для мониторинга газового состава воздуха, для лазерной локации, в системах связи, в медицине, в тепловидении, для военно-технических применений и пр. Кроме того, излучение среднего инфракрасного

диапазона менее опасно для зрения по сравнению с видимым и ближним инфракрасным диапазоном, что упрощает практическое использование источников.

Структура диссертационной работы следующая: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. А.С. Курков, Е.М. Шолохов, В.М. Парамонов, А.Ф. Косолапов, «Широкополосный источник излучения в области 2 мкм на основе волоконного световода, легированного ионами Но3+», Квантовая электроника, 38 (10), стр. 981-982 (2008).

2. A.S. Kurkov, Е.М. Sholokhov, O.I. Medvedkov, «All fiber Yb-Ho pulsed laser», Laser Physics Letters, 6 (2), pp. 135-138 (2009).

3. A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, O.I. Medvedkov, V.V. Dvoyrin, Yu.N. Pyrkov, V.B. Tsvetkov, A.V. Marakulin, and L.A. Minashina, «Holmium fiber laser based on the heavily doped active fiber», Laser Physics Letters, 6 (9), pp. 661-664 (2009).

4. A.G. Okhrimchuk, V.K. Mezentsev, V.V. Dvoyrin, A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, S.K. Turitsyn, A.V. Shestakov, and I. Bennion, «Waveguide saturable absorber fabricated by femtosecond pulses in YAG:Cr crystal for Q-switched operation of Yb-fiber laser», Optics Letters, 34 (24), pp. 3881-3883 (2009).

5. A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, A.V. Marakulin, and L.A. Minashina, «Dynamic behavior of laser based on the heavily holmium doped fiber», Laser Physics Letters, 7 (8), pp. 587-590 (2010).

6. А.С. Курков, E.M. Шолохов, A.B. Маракулин, JI.A. Минашина, «Влияние концентрации активных ионов на эффективность генерации

гольмиевых волоконных лазеров», Квантовая электроника, 40 (5), стр. 386-388 (2010).

7. A.C. Курков, Е.М. Шолохов, A.B. Маракулин, J1.A. Минашина, «Влияние концентрации активных ионов на динамику генерации гольмиевых волоконных лазеров», Квантовая электроника. 40, 858860 (2010).

8. A.S. Kurkov, Ya.E. Sadovnikova, A.V. Marakulin, and E.M. Sholokhov. «All fiber Er-Tm Q-switched laser», Laser Physics Letters, 7, pp. 795 -797, (2010).

9. A.C.Курков, E.M. Шолохов, В.Б.Цветков, A.B.Маракулин, Л.А.Минашина, О.И.Медведков, А.Ф.Косолапов. «Гольмиевый волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью» Квантовая электроника. 41, (2011).

10. E.M. Sholokhov, A.V. Marakulin, A.S. Kurkov, and V.B. Tsvetkov. "Allfiber Q-switched holmium laser." Laser Physics Letters, 8, 382-385 (2011).

Результаты работы представлялись на конференциях:

• CLEO/Europe-2009 (Мюнхен, Германия);

• CLEO/Europe-2011 (Мюнхен, Германия);

• П-ой (2008 г.), Ш-ий (2009 г.) и IV-ый (2010 г.) Российский семинар по волоконным лазерам;

• 2-ая (2009 г.) и 3-я (2011 г.) Всероссийская конференция по волоконной оптике, г. Пермь;

• 6-ая (2007 г.) и 7-ая (2008 г.) Всероссийская молодежная научная школа, г. Саранск;

• Конкурс молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН - 2010, г. Москва;

• XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010», г. Москва;

• Международная конференция Advanced Laser Technologies (ALT 2010), г. Игмонд ан Зии, Нидерланды;

• ХП-й Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике, о. Байкал, пос. Хужир, 2010 г;

• XX международная конференция Laser Physics Workshop - 2011, г. Сараево, Босния и Герцеговина;

Работа выполнялась в Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской Академии Наук (ИОФ РАН) в Лаборатории твердотельных сред твердотельных лазеров под руководством доктора физико-математических наук A.C. Куркова. Изготовление кварцевого волокна, легированного ионами гольмия, выполнялась совместно с Лабораторией волоконных лазеров ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина» в городе Снежинск Челябинской области под руководством A.B. Маракулина.

В работе использовались волоконные брэгговские решетки, изготовленные О. И. Медведковым в Лаборатории волоконной оптики Научного Центра Волоконной Оптики Российской Академии Наук (НЦВО РАН).

Глава I. Гольмиевые лазеры как один из типов волоконных лазеров

(по литературе)

1.1. Оптические волокна, легированные ионами гольмия, и лазеры на их основе.

Генерационные свойства гольмиевых твердотельных и волоконных лазеров определяются схемой энергетических уровней, представленной на рис. 1 [8].

3

Зшержи, 10' см

14

12

Рис. 1. Энергетическая схема уровней ионов гольмия.

Как следует из представленной схемы, ионы гольмия имеют лазерный переход % -» 518, с соответствующей длиной волны излучения в области 2 мкм. Кроме того, в видимой и ближней инфракрасной области спектра существует ряд полос поглощения, которые могут быть использованы для накачки. При этом гольмиевый лазер должен работать по трехуровневой схеме, поскольку на той же длине волны существует поглощение из основного состояния. Поэтому

для этих лазеров для создания инверсии населенности уровней необходимой является накачка в интенсивную полосу поглощения. По этой причине первые твердотельные гольмиевые лазеры использовали ламповую накачку в полосы поглощения, расположенные в видимой части спектра, которые соответствуют энергетическому переходу 51з —»514 [9].

Оптические волокна, легированные ионами гольмия Но3+, впервые были продемонстрированы в работе [10]. На рис. 2 представлен типичный спектр поглощения таких волокон.

Длина волны, мкм

Рис. 2. Спектр оптических потерь гольмиевого волокна

В работе [И] был продемонстрирован первый волоконный гольмиевый лазер. Накачка осуществлялась аргоновым лазером, излучающим на длине волны 457.9 нм. Данный лазер имел низкую дифференциальную эффективность (1.7%) и максимальную выходную мощность 0.67 мВт при 85 мВт поглощенной мощности накачки. В то же время, сам факт получения генерации открыл возможности для дальнейших исследований. Кроме того, в той же работе было определено время жизни на метастабильном уровне, составившее около 0.5 мс, и спектр люминесценции с максимумом в области 2 мкм.

Одной из основных проблем создания гольмиевых волоконных лазеров является выбор источника накачки с длиной волны излучения, соответствующей интенсивной полосе поглощения. Отсутствие таких источников на начальном этапе развития гольмиевых волоконных лазеров привело к использованию дополнительной сенсибилизации стекла ионами Тш3+ с накачкой в интенсивную полосу поглощения этого элемента в области 790800 нм [12]. Однако, даже в этом случае максимальная достигнутая выходная мощность составила лишь 71 мВт при накачке лазером на Тьсапфире с мощностью 1.2 Вт [13]. Также для накачки Тт-Но волокна использовался твердотельный Ш:УАО лазер, излучающий на длине волны 1064 нм. В результате была получена генерация в двухмикронной области с мощностью 11 мВт и дифференциальной эффективностью 1.8 % [14]. Низкая эффективность генерации во многом объясняется малой эффективностью возбуждения ионов тулия излучением на длине волны 1064 нм.

Очевидно, что эффективное практическое применение гольмиевых волоконных лазеров требует использования полупроводниковых лазеров для накачки. Однако существующие линейки мощных лазерных диодов работают на длинах волн более 750 нм, и не могут быть использованы для накачки в полосы поглощения гольмия в видимом диапазоне. В то же время, использование полосы поглощения, локализованной в области 900 нм, представляется малоперспективным вследствие малой величины поглощения. Поэтому диодная накачка также использовалась для волокон с двойным легированием (Тт-Но) с возбуждением ионов тулия на длине волны 790-800 нм [15]. Накачка осуществлялась в оболочку активного волокна. Это позволило достичь уровня выходной мощности в несколько Вт. Дальнейшее развитие этих работ привело к созданию лазера с выходной мощностью 83 Вт [16]. На рис. 3 представлена схема реализованного лазера. Несмотря на высокую выходную мощность, она обладает рядом недостатков.

ЗООмт Тт3+/ Но3+ (water-cooled)

Рис. 3. Схема гольмиевого лазера с объемными зеркалами.

HR - высокий коэффициент отражения на длине волны 2.1 мкм;

НТ - высокий коэффициент пропускания на длине волны 790 нм;

Pump - накачка на длине волны 793 нм с выходной мощностью 150 Вт;

Water-cooled chucks - волоконные зажимы с водяным охлаждением;

Так, использованные лазерные диоды обладают относительно невысокой яркостью, что потребовало использования волокон с диаметром оболочки 300 мкм. Это затрудняет использование обычных технологий сварки волокна, а также использование брэгговских решеток в качестве отражателей. Поэтому, практическое применение данной схемы представляется затруднительным. Кроме того, изготовление волокон с двойным легированием является достаточно сложным технологическим процессом, так как требует выбора матрицы стекла и концентраций активных ионов, обеспечивающих эффективную передачу энергию от иона Тт к Но.

Другой тип схем гольмиевых волоконных лазеров основан на использовании тулиевых лазеров, излучающих в области 1.9 мкм, для накачки гольмиевого волокна в сердцевину. При этом возбуждение производится непосредственно на энергетический уровень 517. В свою очередь тулиевый лазер может накачиваться в оболочку лазерными диодами [17]. Такой схеме присущи недостатки, изложенные выше. Полностью волоконный вариант схемы лазера подразумевает накачку Тт-лазера эрбиевым волоконным лазером [18].

Недостаток такой схемы состоит в необходимости трехкратного спектрального преобразования (полупроводниковый диод —> эрбиевый лазер —> тулиевый лазер —> гольмиевый лазер). В то же время, максимальная достигнутая мощность составила 4.7 Вт, что позволяет рассматривать такую схему, как пригодную для практических применений.

В работах [19, 20] была предложена схема гольмиевого лазера с накачкой от иттербиевого волоконного лазера с возбуждением энергетического уровня 51б. Иттербиевые волоконные лазеры являются наиболее распространенным типом волоконных излучателей. Выходная мощность этих устройств достигает киловатта ого уровня [21], а спектр генерации простирается от 0.98 до 1.2 мкм [22]. Для накачки иттербиевых лазеров используются надежные коммерчески доступные полупроводниковые источники, излучающие в области 0.9-0.98 мкм.

На рис. 4 представлена схема лазера из цитируемой работы,

представляющая собой полностью волоконную конфигурацию с

использованием брэгговских решеток в качестве отражателей.

з+

Иттербиевое волокно (УЬ) 3+

Гольлшете волокно (Но)

X = 0.976 мкм X -1.15 мкм V У Х= 1.15 мкм Х = 2мкм \ ) Выход К|---^од-. ||| ,

„ ^ Я=100% Я = 30% К = 100% к = 4%

Накачка

10 Вт

Рис. 4. Схема гольмиевого волоконного лазера с брэгговскими решетками

Максимальная выходная мощность составила 280 мВт на длине волны 2 мкм при 2 Вт п�