Волоконные лазеры с высокой пиковой и средней мощностью на основе легированных эрбием световодов с двойной отражающей оболочкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Котов Леонид Васильевич

• Котов Леонид Васильевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Котов Леонид Васильевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Благодарности

Основные обозначения и сокращения

ВВЕДЕНИЕ

5

6

ГЛАВА 1. МОЩНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ ~1.55 МКМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

§ 1.1. Оптические свойства ионов эрбия в кварцевом стекле. 20 § 1.2.Оптические потери в эрбиевых световодах

§ 1.2.1 Потери не связанные с присутствием эрбиевых

ионов в сетке стекла

§ 1.2.2 Поглощение из возбужденного состояния

§ 1.2.3 Кооперативная апконверсия

§ 1.2.4 Влияние состава стекла на свойства эрбиевых

световодов

§ 1.3. Непрерывные мощные эрбиевые волоконные лазеры

§ 1.3.1 Эрбиевые и эрбий-иттербиевые волоконные лазеры

с накачкой по оболочке на 915/980 нм

§ 1.3.2 Эрбиевые волоконные лазеры с накачкой

по оболочке на 1532 нм

§ 1.3.3 Эрбиевые волоконные лазеры с накачкой

по сердцевине на 980 нм

§ 1.3.4 Эрбиевые волоконные лазеры с накачкой

по сердцевине на 1480 нм

§ 1.4 Мощные импульсные эрбиевые волоконные лазеры

§ 1.4.1 Эрбиевые волоконные лазеры

ультракоротких импульсов высокой пиковой мощности

§ 1.4.2 Эрбиевые волоконные наносекундные лазеры

2

§ 1.5. Выводы

44

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЭРБИЕВЫХ СВЕТОВОДОВ С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МОЩНЫХ

НЕПРЕРЫВНЫХ ЛАЗЕРОВ

§ 2.1. Определение доли кластеризованных ионов

эрбия в различных стеклянных матрицах 47 § 2.2. Оптимизация параметров эрбиевых световодов

с двойной оболочкой для мощных непрерывных лазеров

§ 2.2.1 Оптимизация концентрации эрбия

§ 2.2.2 Оптимизация длины волны

§ 2.2.3 Оптимизация параметров сердцевины

§ 2.2.4 Дальнейшая оптимизация параметров световода 59 § 2.3. Изготовление и исследование эрбиевого световода

с оптимальными параметрами 61 § 2.4. Волоконные эрбиевые лазеры с высокой выходной

мощностью

§ 2.5. Заключение

ГЛАВА 3. ВОЛОКОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ

ЭРБИЕВЫХ СВЕТОВОДОВ С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ

§ 3.1. Оптимизация параметров эрбиевого

световода с накачкой по оболочке для усиления

до высокой пиковой мощности

§ 3.2. Сравнение различных схем накачки для

усиления ультракоротких импульсов в области 1.55 мкм

§ 3.3. Свойства высоколегированного эрбиевого

световода в схемах с накачкой по оболочке

§ 3.4. Усилители чирпированных импульсов 82 § 3.5. Полностью волоконный усилитель

фемтосекундных импульсов

§ 3.6. Волоконные лазеры в области 1600-1800 нм

§ 3.6.1 Генерация импульсов суб-100 фс длительности

в области 1700 нм

§ 3.6.2 Полностью волоконный лазер в области

1600-1800 нм для создания эндоскопов

§ 3.7. Выводы

ГЛАВА 4. МОЩНЫЕ НАНОСЕКУНДНЫЕ

ЭРБИЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ

§ 4.1. Наносекундные лазеры высокой энергии в импульсе

§ 4.1.1. Измерение энергии в импульсе

§ 4.1.2. Экспериментальные результаты 102 § 4.2. Наносекундные узкополосные лазеры

высокой пиковой мощности 106 § 4.2.1 Исследование нестабильностей

импульсов вызванных ВРМБ

§ 4.2.2 Усилитель рекордной пиковой мощности

§ 4.2.3 Усилитель с накачкой навстречу

§ 4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Описание используемой модели скоростных

уравнений с учетом кластеризации эрбия

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Волоконные лазеры на основе

световодов с уменьшенным диаметром внешней оболочки

4

Благодарности

Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю, заведующему лабораторией «Специальных волоконных световодов» М.Е. Лихачеву, за постановку задачи, всестороннюю поддержку и неоценимую помощь в работе.

Так же автор выражает глубокую благодарность сотрудникам НЦВО РАН О. И. Медведкову за изготовление Брэгговских волоконных решеток, А. К. Михайлову за вытяжку световодов, А. Г. Климанову за обработку заготовок световодов, М. М. Бубнову, И. А. Буфетову и М. А. Мелькумову за ценные обсуждения и замечания; сотрудникам ИХВВ РАН Д. С. Липатову, М. В. Яшкову и А. Н. Гурьянову за изготовление заготовок эрбиевых световодов; сотрудникам ИПФ РАН М. Ю. Коптеву, Е. А. Анашкиной и С. В. Муравьеву за помощь в проведении экспериментов по усилению ультракоротких импульсов, измерение и анализ FROG-спектрограмм; сотруднику лаборатории XLIM S. Février за организацию совместных экспериментов в лабораториях CORIA (г. Руан, Франция), CELIA (г. Бордо, Франция) и XLIM (г. Лимож, Франция) и непосредственное руководство работой по созданию фемтосекундных лазеров в спектральной области 1.7 мкм; сотруднику лаборатории CELIA E. Cormier за предоставление мощных источников накачки; сотруднику лаборатории CORIA A. Hideur и сотруднику компании NOVAE Дмитрию Гапонову за предоставление задающих лазеров ультракоротких импульсов, и за помощь в проведении экспериментов по усилению их излучения.

Автор выражает признательность научному руководителю НЦВО РАН академику Е.М. Дианову за поддержку, постоянный интерес и внимание к работе.

Основные обозначения и сокращения

ВБР - Волоконная Брэгговская решетка

ВКР - Вынужденное комбинационное рассеяния

ВОЛС - волоконно-оптические линии связи

ВРМБ-Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна

ЗГ - Задающий генератор

ИК - Инфракрасный

ППП - Профиль показателя преломления РЗЭ - Редкоземельные элементы УКИ - Ультракороткие импульсы ФСМ - Фазовая самомодуляция

FROG - Метод оптического стробирования со спектральным разрешением

(Frequency Resolved Optical Gating)

NA - Числовая апертура

2k - Доля кластеризованных ионов эрбия

N - Концентрация ионов эрбия

Nj(2) - Концентрация ионов на первом (втором) энергетическом уровне Сц2) - Концентрации ионных пар, находящихся в первом (втором) состоянии t - Время

Wj2(2j) - Скорость вынужденного поглощения (излучения)

R - Скорость накачки

A - Скорость спонтанных переходов

tsp- время жизни иона на верхнем энергетическом уровне

oas(ap) - Сечение поглощения сигнала (накачки)

ae - Сечение излучения

Ps(p) -Мощность сигнала (накачки)

hv s(p) - Энергия фотона сигнала (накачки)

Гф) - Интеграл перекрытия сигнала (накачки)

A^^) - -Площадь сечения оболочки (сердцевины)

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию конструкций эрбиевых световодов с двойной отражающей оболочкой и созданию на их основе высокоэффективных лазеров, работающих как в непрерывном режиме, так и в режимах усиления наносекундных и ультракоротких импульсов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Волоконные лазеры с высокой пиковой и средней мощностью на основе легированных эрбием световодов с двойной отражающей оболочкой»

Актуальность темы

Первый волоконный лазер на неодимовом стекле был реализован еще в 1961 г. [1], однако бурное развитие лазеров и усилителей на основе волоконных световодов началось с создания в 1987 г. эрбиевых волоконных усилителей [2]. Интерес к таким усилителям возник в первую очередь потому, что их область работы 1.53-1.6 мкм совпадает с диапазоном длин волн, в котором работают волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Использование эрбиевых усилителей в ВОЛС позволило осуществить усиление оптического сигнала без использования дорогостоящих электронных ретрансляторов и создать полностью волоконные линии передачи информации. Одновременно, помимо эрбиевых, стали активно разрабатываться волоконные лазеры и усилители на основе световодов, легированных ионами других редкоземельных элементов (РЗЭ): неодима, иттербия, тулия и гольмия.

Успехи в области создания полупроводниковых диодов накачки, генерирующих излучение высокой яркости, а также внутриволоконных брэгговских решеток показателя преломления определили дальнейшее развитие волоконной оптики. Благодаря использованию диодов накачки удалось существенно повысить выходную мощность волоконных лазеров, а внутриволоконные брэгговские решетки сделали возможным создание

компактных, полностью волоконных (не содержащих объемных элементов) лазерных схем.

Одним из главных преимуществ волоконных лазеров и усилителей по сравнению с другими типами лазеров является высокое, ограниченное лишь дифракцией, качество пучка излучения (в случае использования одномодовых волоконных световодов). Помимо этого, большое значение отношения площади поверхности световода к его объему ускоряет теплопередачу от активной среды, позволяя создавать лазеры высокой средней мощности без принудительного охлаждения, что практически невозможно в твердотельных лазерах аналогичной мощности. Другими преимуществами волоконных лазеров являются высокий кпд их работы, устойчивость к механическим воздействиям, компактность, малый вес и т.д.

Рекордные средние (10 кВт [3]) и пиковые (>20 ГВт [4]) мощности одномодовых волоконных лазеров были достигнуты благодаря использованию световодов, легированных оксидом иттербия, с накачкой по оболочке. Длина волны излучения таких лазеров лежит в области 1 мкм. Относительно высокое сечение поглощения излучения накачки ионов иттербия, возможность ввести до нескольких весовых процентов оксида иттербия без заметного проявления нежелательных эффектов, связанных с кластеризацией этих ионов, и низкий квантовый дефект процесса генерации при накачке полупроводниковыми диодами, работающими в области 915-980 нм, обуславливают возможность получения высоких выходных мощностей и высокую эффективность преобразования накачки в сигнал (70-85 %) таких лазеров.

Важно отметить, что излучение ближнего инфракрасного (ИК)

диапазона с длинами волн до ~1.4 мкм хотя и является невидимым для

человеческого глаза, однако, все еще может быть сфокусировано

хрусталиком на сетчатку. Таким образом, использование иттербиевых

8

лазеров нежелательно для приложений, в которых используется распространение излучения через свободную атмосферу. Даже рассеянное излучение низкой интенсивности может быть опасным для глаз находящихся рядом людей, например, при удаленном зондировании атмосферы, использовании лидаров, в атмосферных линиях связи, хирургических операциях и др. Следует отметить, что длина волны излучения эрбиевых волоконных лазеров около 1.5 мкм лишена этого недостатка и мощные волоконные эрбиевые лазеры находят свое применение в таких приложениях [5-7]. Кроме того, существует целый ряд других применений, где требуется излучение высокой средней и/или пиковой мощности в области 1.55 мкм: накачка других типов лазеров (висмутовых [8], тулиевых [9]), научное приборостроение [10, 11], применение в биомедицине [12] и прочее. Однако создание мощных эрбиевых лазеров существенно затруднено низким сечением поглощения накачки и кооперативной апконверсией ионов эрбия, вызванной их кластеризацией. Как следствие, на сегодняшний день волоконные лазеры в области 1.55 мкм значительно уступают по эффективности, средней и пиковой мощности, по стоимости и простоте иттербиевым волоконным лазерам.

Актуальность текущей работы определяется необходимостью совершенствования конструкции мощных волоконных лазеров генерирующих излучение в области 1.55 мкм для улучшения их выходных характеристик.

Основные цели диссертационной работы

> Исследование влияния параметров эрбиевого световода с двойной отражающей оболочкой на его активные свойства и создание световодов с оптимизированными параметрами.

> Разработка и исследование высокоэффективных непрерывных лазеров на основе эрбиевых световодов с накачкой по оболочке на 980 нм.

9

> Создание и исследование лазеров ультракоротких импульсов высокой пиковой мощности в области 1.55 мкм, а также исследование нелинейного преобразования таких импульсов в длинноволновый диапазон.

> Создание и исследование эрбиевых усилителей наносекундных импульсов (в том числе узкополосных) с высокой энергией в импульсе.

Научная новизна диссертационной работы

> Проведено теоретическое и экспериментальное исследование зависимости эффективности волоконного усилителя от параметров эрбиевого световода с двойной оболочкой.

> Проведено исследование усиления 100-наносекундных импульсов в эрбиевых световодах с двойной оболочкой. Установлено, что основным фактором, ограничивающим энергию в импульсе, является появление усиленной спонтанной люминесценции. Показано, что максимально достижимая энергия не зависит от частоты повторения импульсов в широком диапазоне частот (как минимум для диапазона 1 -10 кГц).

> Впервые исследованы особенности усиления узкополосных импульсов в эрбиевых световодах с двойной отражающей оболочкой (спектральная ширина около 1 МГц) и показано, что в этом случае максимально достижимая пиковая мощность ограничена эффектом генерации множественных стоксов ВРМБ и появляющейся вследствие этого нестабильностью формы усиливаемых импульсов. Данный эффект впервые детально исследован для случая целиком волоконных эрбиевых усилителей с накачкой по оболочке.

Практическая значимость диссертационной работы

> Реализованы непрерывные эрбиевые одномодовые лазеры с выходной мощностью до 100 Вт и эффективностью преобразования накачки на длине волны 980 нм в сигнал до 40 %.

> Исследовано усиление ультракоротких импульсов в эрбиевых световодах с двойной оболочкой и большой площадью поля моды, продемонстрированы рекордно высокие пиковые мощности среди эрбиевых волоконных лазерных схем с накачкой по оболочке, как для целиком волоконного дизайна, так и для усилителя чирпированных импульсов с последующим сжатием усиленных импульсов при помощи дифракционных решеток. Впервые продемонстрирована возможность генерации фемтосекундных импульсов с энергией до 9 нДж в области 1700 нм за счет эффекта Рамановского самосдвига частоты в полностью волоконной лазерной схеме.

> Разработаны и реализованы одномодовые волоконные эрбиевые лазеры с рекордной энергией до 1 мДж в 100 наносекундном импульсе (пиковая мощность 12 кВт) в области 1.55 мкм. Кроме того, впервые в мире достигнута пиковая мощность для узкополосных эрбиевых волоконных усилителей 100 наносекундных импульсов - 4 кВт.

Защищаемые положения:

> Разработанный и реализованный эрбиевый световод с оптимизированными параметрами (размер сердцевины и оболочки 35/125 мкм, концентрация эрбия ~0.017 мол.%, алюмосиликатная сердцевина, солегированная фтором) позволил достигнуть 100 Вт уровня средней мощности и рекордно высокого кпд преобразования электрической энергии в оптическую в области 1.55 мкм 20%.

> Оптимизация параметров эрбиевого световода (размер сердцевины и оболочки 35/125 мкм, концентрация эрбия 0.1 мол.%, фосфороалюмосиликатная сердцевина) в схеме с накачкой по оболочке позволила обеспечить большую эффективность преобразования накачки в сигнал и существенно более простую и надежную схему усилителя при практически таком же пороге нелинейных эффектов, как и в схемах с накачкой по сердцевине.

> Возможна реализация полностью волоконных лазеров, работающих в спектральной области 1600-1800 нм с длительностью импульсов менее 80 фс и энергией в импульсе до 9 нДж за счет рамановского сдвига излучения эрбиевого волоконного лазера ультракоротких импульсов.

> Максимальная энергия 1 мДж для 100 нс импульсов, достигнутая в эрбиевом лазере с накачкой по оболочке, ограничена усиленной спонтанной люминесценцией и не зависит от частоты повторения импульсов (как минимум в диапазоне 1 -10 кГц).

> Пиковая мощность 100-нс узкополосных импульсов, усиливаемых в эрбиевом световоде с накачкой по оболочке, ограничена нестабильностями, обусловленными вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Разработка световода с оптимизированными параметрами (размер сердцевины и оболочки 35/125 мкм, концентрация эрбия 0.1 мол.%, фосфороалюмосиликатная сердцевина) в схеме с накачкой по оболочке позволила увеличить пиковую мощность до 4 кВт. За счет использования этого же световода в схеме со встречной накачкой достигнут кпд преобразования электрической энергии в оптическую, равный 8% при кВт уровне пиковой мощности..

Апробация работы

Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в восьми статьях, и доложены в одиннадцати докладах на международных конференциях: CLEO 2012, 2014, CLEO\Europe 2013, 2015; ICONO\LAT 2013, SPIE Photonics West 2014, 2015, SPIE Security and Defence 2014, OSA Advanced Photonics 2014 и в пяти докладах на всероссийских конференциях: Всероссийская конференция по волоконной оптике 2011, 2013, 2015, Российский семинар по волоконным лазерам 2012, а так же на семинарах НЦВО РАН.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 71 наименование.

Первая глава содержит обзор литературы, в частности указаны основные механизмы снижения эффективности работы эрбиевых световодов, описаны различные схемы накачки эрбиевых световодов. Так же приведены наилучшие результаты, полученные в мощных эрбиевых волоконных лазерах при работе, как в непрерывном режиме, так и в режимах усиления наносекундных и ультракоротких импульсов.

Во второй главе представлены результаты по оптимизации эрбиевых световодов с двойной оболочкой для создания высокоэффективных непрерывных лазеров. Исследованы зависимости числа кластеризованных ионов эрбия от концентрации эрбия для стекол различного состава. Эти зависимости были далее использованы при определении оптимальных параметров эрбиевого световода с двойной оболочкой для достижения максимальной эффективности преобразования накачки в сигнал. Реализован световод с такими параметрами (размер сердцевины и оболочки 35/125 мкм,

13

концентрация эрбия ~0.017 мол.%, алюмосиликатная сердцевина, солегированная фтором) и на его основе создан ряд волоконных непрерывных лазеров в спектральном диапазоне 1530-1620 нм с выходной мощностью до 100 Вт и эффективностью преобразования многомодовой накачки на 980 нм в сигнал до 40 %.

В третьей главе приведены результаты исследований по оптимизации конструкции эрбиевого световода с двойной оболочкой с низкой нелинейностью и был опробирован ряд усилителей ультракоротких импульсов. С помощью численного моделирования определен оптимальный состав стекла сердцевины световода с двойной оболочкой для достижения высокой пиковой мощности (концентрация эрбия 0.1 мол.%, фосфороалюмосиликатная матрица стекла). Показано, что использование световода с оптимизированными параметрами в схеме с накачкой по оболочке позволяет получить порог нелинейных эффектов практически не уступающий схемам с накачкой по сердцевине, и, в то же время, обеспечивает большую эффективность преобразования накачки в сигнал и существенно более простую и надежную схему усилителя. Реализована схема усиления чирпированных импульсов длительностью 50 пс с энергией до 1 мкДж и возможностью их сжатия до 530 фс. Создан полностью волоконный лазер 100 фс импульсов с пиковой мощностью до 100 кВт. Продемонстрированы полностью волоконные лазеры в спектральной области 1600-1800 нм с энергией в импульсе до 9 нДж, длительностью импульса 80 -190 фс и показана возможность их использования для трехфотонной микроскопии.

Четвертая глава посвящена созданию 100-нс эрбиевых лазеров высокой пиковой мощности. Разработан полностью волоконный лазер с энергией в импульсе до 1 мДж, ограниченной возникновением и усилением спонтанной люминесценции. Было показано, что достигнутое значение не зависит от

частоты повторения импульсов (как минимум в диапазоне 1-10 кГц). Также были исследованы усилители 100-нс узкополосных импульсов. Получена пиковая мощность до 4 кВт, а также реализован лазер с дифференциальной эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую 8 %.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы

Личный вклад автора

Диссертационная работа является результатом работы автора в Научном центре волоконной оптики РАН и представляет собой обобщение работ автора, выполненных совместно с сотрудниками НЦВО РАН, ИХВВ РАН, ИПФ РАН, а также ряда французских лабораторий CORIA, CELIA и XLIM. Коллективный характер экспериментальных работ обусловил публикацию полученных результатов в соавторстве с коллегами. Все основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Л.В.Котов, М.Е.Лихачев, М.М.Бубнов, О.И.Медведков, Д.С.Липатов, А.Н.Гурьянов, Н.Н.Вечканов, "Волоконный эрбиевый лазер и усилитель с накачкой в оболочку и высокой выходной мощностью," Всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, 12-14 октября 2011 г.), Фотон-экспресс 6 (94), стр. 103-104 (2011).

2. Л.В. Котов, Д.А. Гапонов, М.Е. Лихачев, М.М. Бубнов, Д.С. Липатов, А.Н. Гурьянов, Н.Н. Вечканов, A. Cabasse, J.-L. Oudar, G. Martel, "Усиление до высокой средней и пиковой мощности ультракоротких импульсов в эрбиевых световодах с накачкой в оболочку," Российский

семинар по волоконным лазерам, г. Новосибирск, 27-30 марта, стр. 122123 (2012).

3. L.V. Kotov, M.E. Likhachev, M.M. Bubnov, O.I. Medvedkov, D.S. Lipatov, N.N. Vechkanov, A.N. Guryanov, "Highly Efficient Double-Clad Yb-free Er-Doped All-Fiber Laser and Amplifier Pumped at 976 nm," CLEO'2012, paper CM2N.6, San Jose, CA, USA, 6-11 May 2012 (2012).

4. Л.В. Котов, М.Е.Лихачев, М.М.Бубнов, О.И.Медведков, Д.С.Липатов, Н.Н. Вечканов, А.Н.Гурьянов "Высокоэффективные лазер и усилитель на основе легированных оксидом эрбия световодов с накачкой в оболочку," Квантовая электроника 42 (5), 432-436 (2012).

5. D. A. Gaponov, L. V. Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, A. Cabasse, J.-L. Oudar, S. Fevrier, D. S. Lipatov, N. N. Vechkanov, A. N. Guryanov, and G. Martel, "High power all-fibered femtosecond master oscillator power amplifier at 1.56 ^m," Opt. Lett. 37, pp. 3186-3188 (2012).

6. L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, O. Medvedkov, M. Yashkov, A. Guryanov, S. Fevrier, J. Lhermite and E. Cormier," Single-mode Yb-free Er-doped all-fiber laser cladding-pumped at 976 nm with record efficiency of 40 % and output power of 75 W," CLEO/Europe 2013, paper CJ-8.2 (2013).

7. L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, O. Medvedkov, M. Yashkov, A. Guryanov, S. Fevrier, J. Lhermite, E. Cormier, "Optimization of double-clad Er-doped fibers for high power highly efficient lasers and amplifiers," ICONO/LAT2013, paper LWF4 (2013).

8. L. V. Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, O. I. Medvedkov, M. V. Yashkov, A. N. Guryanov, J. Lhermite, S. Fevrier, and E. Cormier, "75 W 40% efficiency single-mode all-fiber erbium-doped laser cladding pumped at 976 nm," Opt. Lett. 38, pp. 2230-2232 (2013).

9. Котов Л.В., Лихачев М.Е., Бубнов М.М., Медведков О.И., Яшков М.В., Гурьянов А.Н., Lhermite J., Fevrier S., Cormier E., "Высокоэффективный эрбиевый волоконный усилитель с выходной мощностью >100 Вт," Всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, 16-18 октября 2013 г.) Фотон-экспресс 6(110), стр. 217-218 (2013).

10.Котов Л.В., Лихачев М.Е., Бубнов М.М., Медведков О.И., Липатов Д.С., Гурьянов А.Н., Lhermite J., Fevrier S. , Cormier E., "Полностью волоконный одномодовый эрбиевый лазер наносекундных импульсов с энергией 1.5 мДж," Всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, 16-18 октября 2013 г.), Фотон-экспресс 6(110), 219-220 (2013).

11.L. V. Kotov, M. M. Bubnov, D. S. Lipatov, A. N. Guryanov, S. Fevrier, J. Lhermite, E. Cormier, M. Yu. Koptev, E. A. Anashkina, S. V. Muraviev, A. V. Andrianov, A. V. Kim, M. E. Likhachev, "Double-clad large mode area Er-doped fiber for high-energy and high-peak power amplifiers," Proc. SPIE 8961, Fiber Lasers XI: Technology, Systems, and Applications, 89611L (2014).

12.L. V. Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, O. I. Medvedkov, M. V. Yashkov, A. N. Guryanov, S. Fevrier, J. Lhermite, E. Cormier, "Yb-free Er-doped all-fiber amplifier cladding-pumped at 976 nm with output power in excess of 100 W," Proc. SPIE 8961, Fiber Lasers XI: Technology, Systems, and Applications, 89610X (2014).

13. L. V. Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, D. S. Lipatov, M. V. Yashkov, A. N. Guryanov, S. Fevrier, J. Lhermite, and E. Cormier, "High Power Er-doped Yb-free Double-Clad Fiber Amplifiers," in CLEO: 2014, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2014), paper STu2N.3 (2014).

14.Л.В. Котов, М.Ю. Коптев, Е.А. Анашкина, С.В. Муравьев, А.В. Андрианов, М.М. Бубнов, А.Д. Игнатьев, Д.С. Липатов, А.Н. Гурьянов,

17

М.Е. Лихачев, А.В. Ким, "Фемтосекундный эрбиевый волоконный лазер с субмикроджоульной энергией в импульсе для генерации дисперсионных волн в спектральной области короче 1 мкм," Квант. электроника, 44 (5), 458-464 (2014).

15.H. Wang, L. V. Kotov, D. Gaponov, A. Cabasse, M. V. Yashkov, D. S. Lipatov, M. E. Likhachev, J.-L. Oudar, G. Martel, S. Fevrier and A. Hideur, "Dissipative solitons generation and amplification in erbium-doped fibers operating at 1.55 ^m," invited, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics 20, 0903007 (2014).

16.H. Wang, .D. Gaponov, A. Cabasse, G. Martel, A. Hideur, J.-L. Oudar, L. Kotov, M. Likhachev, D. Lipatov, and S. Fevrier, "1.55-^m wavelength ultrafast fiber oscillators and amplifiers," International Journal Of Modern Physics B 28, 1442004 (2014).

17.L. V. Kotov, M.E. Likhachev, M. M. Bubnov, V. M. Paramonov, M.I. Belovolov, D. S. Lipatov and A. N. Guryanov "Record-peak-power all-fiber single-frequency 1550 nm laser," Laser Phys. Lett 11, 095102 (2014).

18. L. V. Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, V. M. Paramonov, M. I. Belovolov, D. S. Lipatov, A. N. Guryanov, and S. Fevrier, "3.5 kW-Peak Power Single-Frequency Double-Clad Erbium-Doped Fiber Amplifier," in Advanced Photonics, OSA Technical Digest (online), Optical Society of America, paper SoTh2B.3 (2014).

19. L. V. Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, V. M. Paramonov, M. I. Belovolov, D. S. Lipatov, A. N. Guryanov, "Single-mode single-frequency high peak power all-fiber MOPA at 1550 nm," Proc. SPIE 9251, Technologies for Optical Countermeasures XI; and High-Power Lasers 2014: Technology and Systems, 92510R (2014)

20.L. V. Kotov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, V. M. Paramonov, M. I.

Belovolov, D. S. Lipatov, A. N. Guryanov, "Record peak power single

18

frequency erbium-doped fiber amplifiers," Proc. SPIE 9344, Fiber Lasers XII: Technology, Systems, and Applications, 934408 (2015)

21. L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, O. Medvedkov, D. Lipatov, A. Guryanov, K. Zaytsev, M. Jossent, and S. Février, "Millijoule pulse energy 100-nanosecond Er-doped fiber laser," Opt. Lett. 40, 1189-1192 (2015)

22. L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, D. Lipatov, A. Guryanov, M. Tang, A. Hideur and S. Février, "1700-nm High-Energy All-Fiber Format Femtosecond Laser," CLEO Europe 2015, paper CJ-8.5 (2015)

23. L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, D. Lipatov and A. Guryanov, "Record Efficiency kW-level Peak Power Single-frequency Er-doped Fiber Amplifier," CLEO Europe 2015, paper CJ-P48 (2015)

24. Л. В. Котов, М. Е. Лихачев, М. М. Бубнов, Д. С. Липатов, А. Н. Гурьянов, M. Tang, A. Hideur, S. Fevrier, "Фемтосекундные волоконные лазеры в области 1700 нм для нелинейной микроскопии," Всероссийская конференция по волоконной оптике (Пермь, 7-9 октября 2015 г.), Фотон-экспресс 6(126), 69-70 (2015)

ГЛАВА 1. МОЩНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ ~1.55 МКМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

§ 1.1. Оптические свойства ионов эрбия в кварцевом стекле

Ионы эрбия в кварцевом стекле обладают рядом полос поглощения в видимом и ближнем ИК диапазонах. На рисунке 1. 1 показаны схема уровней ионов эрбия в кварцевом стекле и спектр оптических потерь, измеренный в световоде, легированном оксидом эрбия, приведенные в [13]. Наиболее

4Т

интересным с практической точки зрения является уровень 113/2, время жизни на котором составляет ~ 10 мс (слегка изменяется в зависимости от состава стекла). Переход электронов с уровня 4113/2 на уровень 4115/2 обеспечивает генерацию излучения на длине волны ~1550 нм.

Стоит отметить, что вследствие большого расстояния между уровнями 4115/2 и 4113/2, населенность последнего в невозбужденном состоянии практически равна нулю. Возбуждение электронов на этот уровень возможно путем накачки излучением в любую из вышележащих полос (откуда электроны, как правило, безызлучательно релаксируют на уровень 4113/2), либо непосредственно в коротковолновый край полосы 4113/2.

б 10

400 600 800 1000 1200 1400 1600 Длина волны, нм

Рисунок 1.1. (а) Схема энергетических уровней ионов эрбия в

кварцевом стекле; (б) измеренный спектр оптических потерь в эрбиевом

световоде, поглощение в области 400-600 нм было уменьшено в 10 раз,

потери в области 1100 нм соответствуют отсечке высшей моды световода.

21

§ 1.2.Оптические потери в эрбиевых световодах

Стоит отметить, что дифференциальная эффективность преобразования накачки в сигнал (далее просто "эффективность", если не указано иное) эрбиевых лазеров и усилителей в ряде случаев оказывается существенно ниже квантового предела. Данный факт обусловлен присутствием различных видов оптических потерь в эрбиевых волоконных световодах. Механизмы потерь, снижающих эффективность, можно разделить на три группы. Первая - потери не связанные с присутствием ионов эрбия в матрице стекла, включающие в себя серые потери и поглощение нежелательных примесей. Вторая группа - поглощение фотонов накачки или сигнала ионами эрбия, находящимися в возбужденном состоянии. Третья - потери вследствие кооперативной апконверсии ионов эрбия. Далее будут рассмотрены все три механизма.

§ 1.2.1 Потери не связанные с присутствием эрбиевых ионов в сетке стекла

Основными причинами серых потерь, то есть потерь, слабо зависящих от длины волны, являются электронное поглощение, фононное поглощение, Рэлеевское рассеяние и рассеяние на неоднородностях стекла.

Электронное поглощение растет с уменьшением длины волны и ограничивает прозрачность кварцевых волоконных световодов в ультрафиолетовой части спектра. Природа электронного поглощения происходит из того факта, что случайная молекулярная структура стекла из-за термических флуктуаций плотности, застывших при отвердении, создает макроскопические вариации электрического поля. Эти локальные электрические поля вызывают появление электронных уровней в запрещенной зоне, которые и допускают электронные переходы [14].

В свою очередь, при увеличении длины волны, фотоны начинают взаимодействовать с колебательными состояниями стекла, приводя к фононному поглощению. Частоты колебаний связей компонент стекла зависят от его состава. Так известно, что наибольшей энергией среди наиболее распространенных легирующих добавок, обладают связи В-О и Р-О, а наименьшей Ое-О. Таким образом, германосиликатное стекло обладают наибольшим пропусканием в ИК диапазоне, а фосфоро- и боросиликатное наименьшим [14].

Энергия г|нтша, эй

Ю3-

I Ш-

£ к

Г >

с

0,1 ■

' 0,4 |},5 0,6 0,Е 1,0 Е,5 2 3 5 10 Дпкна йо'г-гы, мки

Рисунок 1.2. Спектр потерь кварцевого волоконного световода [14]. 1-Электронное поглощение; 2-Фононное поглощение; 3-Реллеевское поглощение; 4-Суммарные потери (пик в области 1.4 мкм обусловлен поглощением ОН-групп).

Рэлеевское рассеяние представляет собой рассеяние на микрофлуктуациях плотности и состава стекла. Величина потерь, связанных

с данным рассеянием обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.

Описанные выше механизмы потерь являются принципиально неустранимыми и определяют фундаментальный минимум потерь в световодах на основе кварцевого стекла, который приходится в область 1.55 мкм и составляет ~ 0.16 дБ/км. Типичные спектры потерь, обусловленных данными механизмами, приведены на рисунке 1.2 [14].

На сегодняшний день потери близкие к фундаментальному пределу были продемонстрированы в пассивных телекоммуникационных световодах. В то же время типичные потери световодов, легированных эрбием, составляют от нескольких единиц до нескольких сотен дБ/км. Данные потери могут быть связаны с наличием примесей переходных металлов (Бе, Сг, Си и тд), гидроксильных групп [14], а также неоднородностей стекла (например, центральный провал в профиле показателя преломления (ППП) или неоднородность на границе сердцевина/оболочка [15]), возникающих при изготовлении волоконных световодов. При этом стоит отметить, что в большинстве случаев используемая длина эрбиевого световода невелика и суммарные потери на проход усилителя или резонатора могут оказаться незначительными. Более подробно влияние серых потерь на эффективность работы эрбиевых световодов будет рассмотрено в главе 2.

§ 1.2.2 Поглощение из возбужденного состояния

В силу большого количества энергетических уровней, ион эрбия, находящийся в возбужденном состоянии, может поглотить еще один фотон и оказаться на вышележащем уровне. Данный процесс называется поглощением из возбужденного состояния. Возможные переходы показаны на рисунке 1.3 [16].

Рисунок 1.3. Схема возможных переходов иона эрбия с учетом поглощения из возбужденного состояния.

При этом, в случае использования накачки в области 980 нм, ион, находящийся на уровне 4111/2, при поглощении еще одного кванта накачки на 980 может оказаться на уровне 2Е7/2. Оттуда, после безызлучательного перехода, он может испустить фотон в зеленой области на длине волны 545 нм, либо после еще одного безызлучательного перехода, опуститься на уровень 419/2. После этого возможно излучение на 800 нм, или возврат на уровень 4111/2. В ряде работ также рассматривался процесс последовательного поглощения фотона сигнала в области 1550 нм с уровней 419/2 и 4113/2 [17, 18], однако, было показано, что спектр поглощения возбужденного состояния с этих уровней сдвинут в область 1700 нм [19] и слабо перекрывается со спектром излучения в области 1.55 мкм. Возбуждение ионов эрбия на уровень 419/2 при использовании диода накачки на 1.48 мкм в работе [18], по-

видимому, было обусловлено кооперативной апкконверсией, которая будет рассмотрена позже [20].

Негативным влияние поглощения из возбужденного состояния является потеря фотона накачки и, соответственно, снижение эффективности работы эрбиевых лазеров и усилителей. В общем случае вероятность данного процесса зависит лишь от доли инвертированных ионов эрбия и не зависит от их концентрации в стекле. Из того факта, что при малых концентрациях ионов эрбия в стекле удается достигнуть эффективности близкой в квантово-ограниченной, можно предположить, что вероятность данного процесса низка и слабо влияет на эффективность эрбиевых лазеров и усилителей. В первую очередь это связано с низким временем жизни уровня 4111/2, с которого идет поглощение фотонов накачки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Котов Леонид Васильевич, 2016 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. E. Snitzer, "Optical maser action of Nd3+ in barium crown glass," Phys. Rev. Letters, 7, pp. 444-446 (1961).

2. R. Mears, L. Reekie, I. Jancie, and D. Payne, "High-gain rare-earth doped fiber amplifier at 1.54 |um," OFC/IOOC '87, Optical society of America, 3, pp. 167 (1987).

3. V. Fomin, M. Abramov, A. Ferin, A. Abramov, D. Mochalov, N. Platonov, and V. Gapontsev, "10 kW single-mode fiber laser," presented at 5th International Symposium on High-Power Fiber Lasers and Their Applications, St. Petersburg, June 28-July 1 (2010).

4. A. Klenke, S. Hadrich, T. Eidam, J. Rothhardt, M. Kienel, S. Demmler, Th. Gottschall, J. Limpert, and A. Tunnermann, "22 GW peak-power fiber chirped-pulse-amplification system," Opt. Lett. 39, pp. 6875-6878 (2014).

5. "Space Communications Architecture Working Group. NASA Space Communications and Navigation Architecture Recommendations for 20052030," NASA technical report, May 2006.

6. H. Yao, M. W. Wright, and J. R. Marciante, "Optimization of resonantly cladding-pumped erbium-doped fiber amplifiers for space-borne applications," Appl. Opt. 52, pp. 3923-3930 (2013).

7. M. Ren, X. Gu, Y. Liang, W. Kong, E. Wu, G. Wu, and H. Zeng, "Laser ranging at 1550 nm with 1-GHz sine-wave gated InGaAs/InP APD singlephoton detector," Opt. Express 19, pp. 13497-13502 (2011).

8. S. Firstov, S. Alyshev, M. Melkumov, K. Riumkin, A. Shubin, and E. Dianov, "Bismuth-doped optical fibers and fiber lasers for a spectral region of 1600-1800 nm," Opt. Lett. 39, pp. 6927-6930 (2014).

9. D. Y. Shen, J. K. Sahu, and W. A. Clarkson, "High-power widely tunable Tm:fibre lasers pumped by an Er,Yb co-doped fibre laser at 1.6 ^m," Opt. Express 14, pp. 6084-6090 (2006).

10.M. Punturo for the LIGO-Virgo Collaboration, "The third generation of gravitational wave observatories and their science reach," Classical Quantum Gravity 27, 084007 (2010).

11.Y. Kim, S. Kim, Y.-J. Kim, H. Hussein, and S. W. Kim, "Er-doped fiber frequency comb with mHz relative linewidth," Opt. Express 17, pp. 1197211977 (2009).

12.N.G Horton, K. Wang, D. Kobat, C.G. Clark, F.W. Wise, C.B. Schaffer, and C. Xu, "In vivo three-photon microscopy of subcortical structures within an intact mouse brain", Nat. Phot. 7, pp. 205-209 (2013).

13.P.C. Becker, N.A. Olsson and J.R. Simpson, [Erbium-Doped Fiber Amplifiers. Fundamentals and Technologies], Academic Press, San Diego, USA (1999).

14.Бурков В.Д., Иванов Г.А., [Физико-технологические основы волоконно-оптической техники], М.: Изд-во Московского государственного университета леса (2007).

15.M. M Bubnov, S. L. Semjonov, M. E. Likhachev,E. M. Dianov, V. F. Khopin, M. Yu. Salganskii, A. N. Guryanov, J. C. Fajardo, D. V. Kuksenkov, K. Joohyun P. Mazumder, "On the origin of excess loss in highly GeO2-doped single-mode MCVD fibers," IEEE Photonics Technology Letters, vol.16, no.8, pp.1870-1872 (2004).

16. E. Desurvire, [Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Principles and Applications], Wiley-Interscience, Hoboken, New Jersey, USA (1994).

17. P. F. Wysocki , J. L. Wagener, M. J. F. Digonnet and H.J. Shaw, "Evidence and modeling of paired ions and other loss mechanisms in erbium-doped silica fibers", Proc. SPIE 1789, pp. 66-79 (1993).

18. S. Arahira, K. Watanabe, K. Shinozaki, and Y. Ogawa, "Successive excited-state absorption trough a multistep process in highly Er3+ -doped fiber pumped by a 1.48 ^m laser diode", Optics Letters, 17, pp. 1679 - 1681 (1992).

19. J. E. Román, M. Hempstead, C. Ye, S. Nouh, P. Camy, P. Laborde, and C. Lerminiaux, "1.7 ^m excitedstate absorption measurement in erbium-doped glasses," Appl. Phys. Lett. 67, pp. 470-472 (1995).

20.R. Wyatt, "Spectroscopy of rare earth doped fibers", Fiber Laser Sources and Amplifiers, SPIE Proc., 1171, pp. 54 - 64 (1990).

21.P. Myslinski, D. Nguyen, and J. Chrostowski, "Effects of concentration on the performance of erbium-doped fiber amplifiers," IEEE J. Lightwave Technol. 15, pp. 112-120 (1997).

22. D. Khoptyar and B. Jaskorzynska, "Experimental determination of the energy-transfer parameters for homogeneous upconversion in Er-doped silica," J. Opt. Soc. Am. B 22, pp. 2091-2098 (2005).

23. K. Arai, H. Namikawa, K. Kumata, and T. Honda, "Aluminium or phosphorous co-doping effects on fluorescence and structural properties of neodimium-doped silica glass," J.Appl.Phys. 59, pp. 3430 - 3436 (1986).

24.S. Sen, "Atomic environment of high-field strength Nd and Al cations as dopants and major components in silicate glasses: A Nd L-III-edge and K-edge X-Ray absorption spectroscopic study," J. Non-Crystalline Solids, 261, pp. 226 - 236 (2000).

25. P. Myslinski, J. Fraser, and J. Chrostowski, "Nanosecond kinetics of upconversion process in EDF and its effect on EDFA performance," in Proc. Opt. Amplifiers and Their Appl., vol. ThE3-1, pp. 100-103 (1995)

26.А.Ю. Плоцкий, А.С. Курков, М.Ю. Яшков, М.М. Бубнов, М.Е. Лихачев, А.А. Сысолятин, А.Н. Гурьянов, Е.М. Дианов, "Усилительные свойства активных световодов с высокой концентрацией ионов эрбия," Квант. электроника, 35 (6), стр. 559-562 (2005)

27. M.E. Likhachev, M.M. Bubnov, K.V. Zotov, D.S. Lipatov, M.V. Yashkov, and A.N. Guryanov, "Effect of the A1PO4 join on the pump-to-signal conversion efficiency in heavily Er-doped fibers," Optics Letters, 34(21), pp. 3355-3357 (2009).

28. R. I. Laming, D. N. Payne, F. Meli, G. Grasso, and E. J. Tarbox, "Saturated erbium-doped fibre amplifiers", Optical Amplifiers and Their Applications Reprint, Optical Society of America, Paper No. MB3, pp.16 - 19 (1990).

29. W. J. Miniscalco , "Erbium-doped glasses for fiber amplifiers at 1500 nm," Journal of Lightwave Tech., 9(2), pp. 234 - 250 (1991).

30.J. L. Wagener, M. J. F. Digonnet, P. F. Wysocki, and H. J. Shaw, "Effect of composition on clustering in erbium-doped fiber lasers," Fiber Laser Sources and Amplifiers V, SPIE, 2073, pp. 14 - 19 (1993)

31. S. G. Kosinski, D. M. Krol, T. M. Duncan, D. C. Douglass, J.B. MacChesney, and J. R. Simpson, "Raman and NMR spectroscopy of SiO2 glasses co-doped with Al2O3 and P2O5," Journal of Non-Crystalline Solids, 105, pp. 45 - 52 (1988).

32. S. R. Karlsen, R. K. Price, M. Reynolds, A. Brown, R. Mehl, S. Patterson, R. J. Martinsen, "100-W 105-^m 0.15NA fiber coupled laser diode module," Proc. SPIE 7198, 71980T (2009).

33.V. Kuhn, D. Kracht, J. Neumann, P. Wessels, "67 W of Output Power From an Yb-Free Er-Doped Fiber Amplifier Cladding Pumped at 976 nm," IEEE Photonics Technology Letters, 23(7), pp. 432 (2011).

34. Y. Jeong, J. K. Sahu, D. B. S. Soh, C. A. Codemard, and J. Nilsson, "Highpower tunable single-frequency single-mode erbium:ytterbium codoped large-core fiber master-oscillator power amplifier source," Optics Letters, Vol. 30, Issue 22, pp. 2997-2999 (2005).

35. E. Yahel and A. Hardy, "Modeling High-Power Er3+-Yb3+ Codoped Fiber Lasers," Journal of lightwave technology, 21(9), pp. 2044-2052 (2003).

36. C. Yang, Sh. Xu, Sh. Mo, C. Li, Zh. Feng, D. Chen, Zh. Yang, and Zh. Jiang, "10.9 W kHz-linewidth one-stage all-fiber linearly-polarized MOPA laser at 1560 nm," Opt. Express 21, pp. 12546-12551 (2013).

37. G. Sobon, D. Sliwinska, K. M. Abramski and P. Kaczmarek, "10 W singlemode Er/Yb co-doped all-fiber amplifier with suppressed Yb-ASE," Laser Phys. Lett. 11, 025103 (2014).

38. V. Kuhn, D. Kracht, J. Neumann and P. WeBels, "Yb-free Er-doped 980nm Pumped Single-Frequency Fiber Amplifier with Output Power of 54W and Near-Diffraction Limited Beam Quality," in CLEO/Europe and EQEC 2011 Conference Digest, CJ7_5 (2011).

39. M. Dubinskii, V. Ter-Mikirtychev, J. Zhang, I. Kudryashov, "Yb-free, SLM EDFA: comparison of 980-, 1470- and 1530-nm excitation for the core- and clad-pumping," Proceedings of the SPIE, 6952, 695205 (2008)

40. V. Kuhn, D. Kracht, J. Neumann, and P. WeBels, "Er-doped photonic crystal fiber amplifier with 70 W of output power," Opt. Lett. 36, pp. 30303032 (2011).

41. J. Zhang, V. Fromzel, and M. Dubinskii, "Resonantly cladding-pumped Yb-free Er-doped LMA fiber laser with record high power and efficiency," Opt. Express, 19, pp. 5574-5578 (2011).

42. M. A. Jebali, J.-N. Maran, and S. LaRochelle, "264 W output power at 1585 nm in Er-Yb codoped fiber laser using in-band pumping," Opt. Lett. 39, pp. 3974-3977 (2014).

43. J. Boullet, Y. Zaouter, R. Desmarchelier, M. Cazaux, F. Salin, J. Saby, R. Bello-Doua, and Eric Cormier, "High power ytterbium-doped rod-type three-level photonic crystal fiber laser," Opt. Express 16, pp. 17891-17902 (2008).

44. M. Leich, M. Jäger, S. Grimm, D. Hoh, S. Jetschke, M. Becker, A. Hartung and H. Bartelt, "Tapered large-core 976 nm Yb-doped fiber laser with 10 W output power." Laser Phys. Lett. 11, 045102 (2012).

45.R. I. Laming, J. E. Townsend , D. N. Payne, F. Meli, G. Grasso, and E. J. Tarbox, "High-power erbium-doped-fiber amplifiers operating in the saturated regime", IEEE Photon. Tech. Letters, 3(3), pp. 253 - 255 (1991).

46. S. S. Aleshkina, M. E. Likhachev, D. S. Lipatov, O. I. Medvedkov, M. M. Bubnov, A. N. Guryanov, "All-fiber single-mode laser at 977 nm with 5.5 W output power." CLEO/Europe-EQEC 2015, paper CJ-P.13 (2015).

47. V. R. Supradeepa and J. W. Nicholson, "Power scaling of high-efficiency 1.5 ^m cascaded Raman fiber lasers," Opt. Lett. 38, pp. 2538-2541 (2013).

48. M. Dubinskii, J. Zhang, V. Ter-Mikirtychev, "Record-efficient, resonantly-pumped, Er-doped singlemode fibre amplifier," Electron. Lett. 45, pp. 400401 (2009).

49. J. W. Nicholson, "High-power continuous wave erbium-doped fiber laser pumped by a 1480-nm Raman fiber laser," Proc. SPIE 8237, 82370K (2012).

50. J.C. Jasapara, M. J. Andrejco, A. DeSantolo, A. D. Yablon, Z. Varallyay, J. W. Nicholson, J. M. Fini, D. J. DiGiovanni, C. Headley, E. Monberg, and F. F. V. Dimarcello, "Diffraction-Limited Fundamental Mode Operation of Core-Pumped Very-Large-Mode-Area Er Fiber Amplifiers," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15(1), pp. 3-11 (2009).

51. X. Peng, K. Kim, X. Gu, M. Mielke, S. Jennings, A. Rider, N. Fisher, T. Woodbridge, R. Dionne, and F. Trepanier, "Root cause analysis and solution to the degradation of wavelength division multiplexing (WDM) couplers in high power fiber amplifier system," Opt. Express 21, pp. 20052-20061

(2013).

52. K. Kim, X. Peng, W. Lee, X. Gu, M. Mielke, "215^J 16W femtosecond fiber laser for precision industrial micro-machining," Proc. SPIE 8961, 89610N (2014).

53. F. Morin, F. Druon, M. Hanna, and P. Georges, "Microjoule femtosecond fiber laser at 1.6 ^m for corneal surgery applications," Opt. Lett. 34, pp. 1991-1993 (2009).

54. J. C. Jasapara, M. J. Andrejco, A. D. Yablon, J. W. Nicholson, C. Headley, and D. DiGiovanni, "Picosecond pulse amplification in a core-pumped large-mode-area erbium fiber," Opt. Lett. 32, pp. 2429-2431 (2007).

55. E.-L. Lim, S.-u. Alam, and D. J. Richardson, "High-energy, in-band pumped erbium doped fiber amplifiers," Opt. Express 20, pp. 18803-18818 (2012).

56. I. Pavlov, E. Dulgergil, E. Ilbey, and F. O. Ilday, "Diffraction-limited, 10-W, 5-ns, 100-kHz, all-fiber laser at 1.55 ^m," Opt. Lett. 39, pp. 2695-2698

(2014).

57. E. Lallier and D. Papillon-Ruggeri, "High energy pulsed eye-safe fiber amplifier," in CLEO/Europe and EQEC 2011 Conference Digest, OSA Technical Digest (CD), paper CJ1_5 (2011.)

58. G. Canat, J. L. Gouet, L. Lombard, A. Bresson, D. Goular, A. Dolfi-Bouteyre, S. Duzellier, D. Boivin, J. Nilsson, J. Sahu, S. Bordais, "High Power Pulsed Fiber Laser. Development for CO2 Space Based DIAL System," at ICSO 2014 (2014).

59. E.P. Ippen and R.H. Stolen, "Stimulated Brillouin scattering in optical fibers", Appl. Phys. Lett. 21, pp. 539-540 (1972).

60. G.P. Agrawal,[Nonlinear Fiber Optics, 5th ed.], Elsevier, Amsterdam, Netherlands (2013).

61. C. Codemard, C. Farrell, P. Dupriez, V. Philippov, J. K. Sahu and J. Nilsson," Millijoule, high-peak power, narrow-linewidth, sub-hundred nanosecond pulsed fibre Master-Oscillator Power-Amplifier at 1.55 ^m", Comptes Rendus Physique 7, pp. 170-176 (2006).

62. C. E. Dilley, M. A. Stephen, and M. P. Savage-Leuchs, "High SBS-threshold, narrowband, erbium codoped with ytterbium fiber amplifier pulses frequency-doubled to 770 nm," Opt. Express 15, pp. 14389-14395 (2007).

63. W.L. Barnes, R.I. Laming, E.J. Tarbox, P.R. Morkel, "Absorption and emission cross section of Er3+ doped silica fibers," IEEE Journal of Quantum Electronics, 27(4), pp. 1004-1010 (1991).

64. M. Yu. Koptev, E. A. Anashkina, K. K. Bobkov, M. E. Likhachev, A. E. Levchenko, S. S. Aleshkina, S. L. Semjonov, A. N. Denisov, M. M. Bubnov, D. S. Lipatov, A. Yu. Laptev, A. N. Gur'yanov, A. V. Andrianov, S. V. Muravyev, A. V. Kim, "Fibre amplifier based on an ytterbium-doped active

tapered fibre for the generation of megawatt peak power ultrashort optical pulses," QUANTUM ELECTRON, 45 (5), pp. 443-450 (2015)

65. X. Ma, Ch. Zhu, I-N. Hu, A. Kaplan, and A. Galvanauskas, "Single-mode chirally-coupled-core fibers with larger than 50^m diameter cores," Opt. Express 22, pp. 9206-9219 (2014).

66. A. Andrianov, E. Anashkina, S. Muravyev, and A. Kim, "All-fiber design of hybrid Er-doped laser/Yb-doped amplifier system for high-power ultrashort pulse generation," Opt. Lett. 35, pp. 3805-3807 (2010).

67. E. M, Dianov, A. Ia. Karasik, P. V. Mamyshev, A. M. Prokhorov, V. N. Serkin, "Stimulated-Raman conversion of multisoliton pulses in quartz optical fibers", JETP Letters 41, pp. 294-297 (1985)

68. N. Nishizawa and T. Goto, "Compact System of Wavelength-Tunable Femtosecond Soliton Pulse Generation Using Optical Fibers," IEEE Photonics Technol. Lett. 11, pp. 325-327 (1999).

69. E.A. Anashkina, A.V. Andrianov, M.Yu. Koptev, V.M. Mashinsky, S.V. Muravyev, and A.V. Kim, "Generating tunable optical pulses over the ultrabroad range of 1.6-2.5 ^m in GeO2-doped silica fibers with an Er:fiber laser source," Opt. Express 20, pp. 27102-27107 (2012).

70. J. Nilsson, B. Jaskorzynska, and P. Blixt, "Implications of pair-induced quenching for erbium-doped fiber amplifiers," Opt. Amplifiers and Their Appl. Tech. Dig., vol. MD19-1, pp. 222-225 (1993)

71.A. Cabasse, D. Gaponov, K. Ndao, A. Khadour, J.-L. Oudar, and G. Martel, "130 mW average power, 4.6 nJ pulse energy, 10.2 ps pulse duration from an Er3+ fiber oscillator passively mode locked by a resonant saturable absorber mirror," Opt. Lett. 36, pp. 2620-2622 (2011)

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Приложение I: Описание используемой модели скоростных уравнений с учетом кластеризации эрбия

В этом приложении приведен вывод системы скоростных уравнений с учетом кластеризации эрбия, используемый для численных расчетов в данной работе.

N.

N.

41

11/2

* мкс

к У \Л/12 \лц 21 г \ г

41

13/2

41

15/2

Рисунок 1. Схема уровней эрбия и рассматриваемые переходы.

В рассмотрении использовалась квазидвухуровневая энергетическая система, с верхним и нижним энергетическими состояниями, соответствующим уровням ионов эрбия 4113/2 и 4115/2 соответственно. Временем жизни уровня 41ц/2 (~5 мкс), в который производилась накачка на длине волны 980 нм, пренебрегалось. Все расчеты в данной работе проводились для случаев усилителей, работающих в режиме насыщения с малым коэффициентом усиления (10-20 дБ), поэтому усиление спонтанной люминесценции не рассматривалось. С учетом таких приближений уравнение, описывающее эволюцию во времени одиночных ионов (не объединенных в кластеры) можно записать следующим образом:

сШ2 Ж

N

ж

-(Л21 + Ж21) N2 + (Я + Ж12) N

(1)

где N и N1- концентрация ионов на верхнем и нижнем энергетическом уровне соответственно, /-время, А21 ,Я, Ж12 и Ж21-скорости спонтанного излучения, поглощения накачки, вынужденного поглощения и вынужденного излучения соответственно.

12(21)

а Р Г

аз(вз) 5 5

ку Л

(2)

А21 - 1/(3)

Г) т~1

^ _ р р

куРАс (4)

Рр(8у-мощность излучения накачки (сигнала), о^^-сечение поглощения сигнала(накачки), ае8-сечение люминесценции, кУр^у-энергия кванта накачки (сигнала), ^¿.-площадь сердцевины, tsp-время жизни иона на верхнем энергетическом уровне, Гр, Г^-интегралы перекрытия моды излучения накачки и сигнала с сердцевиной световода.

Как было сказано в главе 1 данной работы, основным фактором, влияющим на эффективность преобразования накачки в сигнал в эрбиевых световодах, является апконверсия в кластерах ионов эрбия состоящих из двух ионов. Другие процессы, такие, как поглощение из возбужденного состояния, апконверсия между статистически распределенными ионами и между ионами большего размера при используемых в данной работе концентрациях оказывают гораздо меньшее влияние [16, 19, 21, 25] и поэтому в модели не рассматривались.

Учет кластеризации проводился аналогично модели, описанной в [70], считалось, что доля ионов 2к находится в кластерах, состоящих из двух ионов. При этом такая пара может находиться в двух состояниях: состояние 1 - оба иона находятся на нижнем энергетическом уровне, состояние 2 - один из ионов находится на верхнем энергетическом уровне. Как говорилось выше, оба иона в паре не могут находиться в возбужденном состоянии одновременно. Обозначая С и С2 концентрации ионных пар, находящихся в первом и втором состоянии соответственно, получаем следующее уравнение, аналогичное уравнению (1):

йС2 Ж - -^ - (А^21 + ^21)С2 + (Яс + Ж^С а! (5)

где

К - 2Я (6)

- 2^12 (7)

Ас21 п А 2 (8)

ЖС21 = Ж21 (9)

Обозначим N концентрацию всех ионов в кластерах, где N0-

полная концентрация ионов эрбия, ^^-концентрация ионов, содержащихся в кластерах и находящихся на нижнем (верхнем) энергетическом уровне, тогда очевидно:

С = (N„1 - N^/2

С2 = N 2

(10) (11)

Учитывая то, что в равновесном состоянии:

йС2 _ йС, _ йЩ _ 0 йХ йХ йХ йХ

из уравнений (1), (5), (10), (11) следует

Я + Ж

N2 = м0 - N1 = М0--

(12)

N = N - N = N

1уе2 1 с0 с1 1 с0

Я + Ж12 + Ж21 + Л21 Я+Ж,

12

2( Я + Ж12) + Ж21 + Л21

(13)

(14)

Система уравнений, описывающих изменение мощности накачки и сигнала (Рр и Р,) по координате 7:

- = -(N + ыг, )а„ г п Р - а Рп

(15)

= -(N + Нл)аарГрРр -арРр

= ±[(N2 + -а„ N + Г5 + аР (16)

верхние знаки + и - соответствуют случаю, когда накачка и сигнал сонаправлены и распространяются в положительном направлении оси 2, нижние - случаю, когда накачка распространяется в положительном, а сигнал в отрицательном направлении оси ор^-значение серых потерь для накачки и сигнала.

Таким образом, решая систему уравнений (13)-(16) с учетом известных вводимых в усилитель мощностей накачки и сигнала можно определить

распределение мощности излучения накачки и сигнала по длине активного световода.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Приложение II: Волоконные лазеры на основе световодов с уменьшенным диаметром внешней оболочки

Как было показано в параграфе § 2.2.4, уменьшение диаметра внешней оболочки эрбиевого световода позволяет увеличить эффективность их работы. При этом внешний диаметр ограничен размером 80 мкм для случаев лазеров использующих один источник накачки и 95 мкм для лазеров с объединителями нескольких накачек, а также полностью волоконных усилителей. Для создания лазеров на основе световодов со сниженным диаметром внешней оболочки методом MCVD с использованием газофазной технологии были изготовлены две заготовки с содержанием оксида эрбия ~0.1 мол %. Для увеличения эффективности работы данных световодов использовалась фосфороалюмосиликатная матрица стекла сердцевины. Данные заготовки были сполированы до формы восьмиугольника и вытянуты с внешним размером 80 и 95 мкм. При этом размер сердцевины первого составлял 25 мкм, второго 22 мкм. ППП приведен на рисунке 1. Поглощение слабого сигнала из оболочки составило 2.6 и 1.3 дБ/м соответственно на длине волны 980 нм (рисунок 2).

Рисунок 1. ППП световодов.

3-

I ш

СГ

82-х а> 3" о с;

¡51-1=

0-1—-т-*-Т-■-Т-*-Т-*-Т-

940 960 980 1000 1020

Длина волны, нм

Рисунок 2. Поглощение слабого сигнала из оболочки изготовленных световодов.

Как было сказано выше, в случае использования световода с диаметром первой оболочки 80 мкм, невозможно создание полностью волоконной схемы усилителя из-за высокой числовой апертуры излучения накачки в этом случае. Данный световод был исследован в схеме лазера, представленной на рисунке 3

Накачка

Конус

Рисунок 3. Схема лазера.

Излучение многомодового источника накачки на длине волны 980 нм выходило из световода с диаметром световедущей жилы диаметром 105 мкм и КЛ 0.22 и вводилось в волоконный конус, диаметр которого уменьшался от 105 до 80 мкм на длине порядка 30 см. Излучение накачки на выходе из конуса (диаметр 80 мкм, апертура 0.29) вводилось в резонатор лазера,

который был образован высокоотражающей брэгговской решеткой и торцом эрбиевого световода. Потери накачки в волоконном конусе составили 0.7 дБ. Длина волны максимального отражения брэгговской решетки равнялась 1570 нм. Брэгговская решетка была записана в одномодовом германосиликатном световоде с диаметрами сердцевины и оболочки 16 и 80 мкм соответственно. Вследствие высокого поглощения излучения накачки из оболочки, оптимальная длина эрбиевого световода, обеспечивающая максимальную эффективность лазерной генерации, составила 5м. Зависимость выходной мощности сигнала на длине волны 1570 нм от поглощенной мощности накачки, а также спектр излучения сигнала показаны на рисунке 4 Максимальная мощность одномодового излучения волоконного лазера на длине волны 1570 нм превысила 7.5 Вт при 21 Вт поглощенной и 26 Вт введенной мощности накачки. Дифференциальная эффективность составила 35 % относительно введенной мощности накачки.

Рисунок 4. а - Мощность и б - спектр излучения лазера.

Выходная мощность данного лазера была ограничена имеющейся мощностью накачки. В то же время благодаря высокоапертурному тефлоновому покрытию увеличение выходной мощности в данной конструкции лазера может быть осуществлено за счет использования более мощных диодов накачки с выходным световодом имеющим диаметр световедущей жилы 200 мкм. В этом случае будет необходимо использовать

волоконный конус с внешним диаметром, изменяющимся от 200 до 80 мкм. Мощность таких диодов накачки на сегодняшний день составляет 500 Вт, таким образом, данная схема лазера позволяет рассчитывать на выходную мощность вплоть до 175 Вт.

Световод № 4 обладал диаметром внешней оболочки 95 мкм, что позволяет создать полностью волоконную схему усилителя, а также использовать несколько лазерных диодов для накачки. Схема усилителя приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема усилителя.

В качестве источника усиливаемого излучения использовался эрбий -иттербиевый непрерывный волоконный лазер мощностью ~500 мВт. Длина волны этого лазера могла перестраиваться за счет замены брэгговских решеток в интервале 1550-1600 нм с шагом 5 нм. Для предотвращения обратной связи между задающим лазером и усилителем использовался изолятор. Усиливаемое излучение и излучение накачки объединялось в коммерчески-доступном объединителе накачки и сигнала, затем с помощью волоконного конуса вводились в активный световод, в котором и происходило усиление. На конце активного световода был выполнен косой скол для предотвращения френелевского отражения обратно в световод. Диаметр сердцевины на выходе из объединителя накачки и сигнала составлял 6мкм. Диаметр сердцевины волоконного конуса менялся от 6 мкм

135

на входе до 4.5 мкм на выходе. Потери усиливаемого сигнала на сварке конуса и активного световода хотя и были довольно высоки из-за сильно отличающихся диаметров полей мод, но не превышали 3дБ, что позволяло при усилении работать в режиме насыщения по мощности сигнала. Потери накачки в объединителе накачки и сигнала составляли ~0.6 дБ, в конусе ~0.4 дБ. Была исследована зависимость дифференциальной эффективности преобразования введенной мощности накачки в сигнал от длины волны усиливаемого излучения для разных длин активного световода. Результаты этих измерений приведены на рисунке 6.

Рисунок 6. а- эффективность усилителя в зависимости от длины волны и длины световода; б - выходная мощность усилителя на 1585 нм при использовании 12 м световода.

Наибольшая эффективность 31 % относительно введенной мощности накачки была получена на длине волны 1585 нм при использовании длины световода 12м. Выходная мощность при этом равнялась 7.1 Вт (рис 6. б) и была ограничена имеющейся мощностью накачки. Усилитель эффективно работал в диапазоне 1560 - 1600 мкм. Можно видеть, что уменьшение длины световода позволяет сместить длину волны, на которой наблюдается максимальная эффективность, в коротковолновую область. При использовании длин световода 10, 12 и 19 метров и больше в области 15501560 нм в выходном сигнале присутствовала значительная доля усиленной

1550 1560 1570 1580 1590 1600

Длина волны,нм

10 15 20 25

Введенная мощность накачки. Вт

30

спонтанной люминесценции, а при увеличении мощности накачки даже начиналась генерация в области 1.57-1.59 мкм. Для стабильной работы в этом спектральном диапазоне необходимо было уменьшать длину световода, однако это приводило к увеличению непоглощенной мощности накачки и, соответственно, к уменьшению эффективности.

Стоит отметить, что концентрация ионов эрбия данных световодов не была оптимизирована для достижения максимально возможной эффективности и была в ~2 раза выше, чем концентрация в коммерчески доступных световодах с двойной оболочкой. В то же время, благодаря увеличению поглощения накачки за счет снижения диаметра первой оболочки и использованию фосфороалюмосиликатной матрицы стекла сердцевины полученная эффективность оказалась существенно выше, по сравнению со стандартными световодами.

|,1Н-■-1----1-■—--\-'-1

1550 1555 1560 1565 1570

Длина волны, нм

Рисунок 6. Спектры излучения до и после усиления.

Световод с внешним диаметром 95 мкм был также протестирован в схеме усиления чирпированных импульсов. Для этого использовалась схема усилителя, приведенная на рисунке 5, однако вместо непрерывного задающего генератора использовался импульсный лазер, аналогичный разработанному в [71]. Данный лазер генерировал 20 пс чирпированные

импульсы со средней мощностью 220 мВт и частотой повторения 28 МГц. Спектр излучения данного лазера приведен на рисунке 6.

В данном эксперименте для усиления импульсов был использован отрезок световода № 4 длиной 5 метров. Излучение накачки и сигнала вводилось с помощью объединителя и волоконного конуса. На выходе усилителя была получена средняя мощность 3.3 Вт с дифференциальной эффективностью преобразования накачки в сигнал 15 %. Энергия в импульсе составила 120 нДж. Спектр усиленного излучения приведен на рисунке 6.

80 -40 0 40 80

Задержка, пс

Рисунок 7. Автокорреляционная функция до и после компрессора.

После усиления импульсы были сжаты с помощью решеточного компрессора с эффективностью 60 %. Измеренные автокорреляционные функции импульсов до и после сжатия представлены на рисунке 7. Полученная длительность импульса всего в 1.2 раза больше Фурье-предела для данной формы спектра. Энергия в импульсе после сжатия составила 70 нДж, пиковая мощность 50 кВт. В то же время пиковая мощность может быть увеличена до 80 кВт за счет использования более эффективного компрессора.