Главная / Библиотека / Диспрозиевый волоконный лазер с модуляцией добротности за пределами 3 мкм

Диспрозиевый волоконный лазер с модуляцией добротности за пределами 3 мкм

Теги Диспрозий АОПФ средний ик диапазон
Диспрозиевый волоконный лазер с модуляцией добротности за пределами 3 мкм

На сегодняшний день волоконные лазеры среднего ИК диапазона становятся востребованными источниками излучения, обладающими высокой интенсивностью с длинами волн более 2.5 мкм. Хоть иные лазерные архитектуры (например, нелинейное параметрическое преобразование длины волны и объемные кристаллы, легированные Cr/Fe) предлагают схожее длинноволновое излучение, компактность и гибкость волоконного оборудования открывает новые возможности к развертыванию подобных систем в практических приложениях.

На самом же деле, именно широкая область практического применения и вызывает интерес исследователей к разработке источников ИК излучения, который возник из-за наличия колебательно-вращательных переходов молекул, находящихся в данной области. Например, недавно были продемонстрированы волоконные ИК лазеры с возможностью перестройки длин волн, открывающие возможность к одновременной регистрации нескольких линий поглощения в режиме реального времени. Более того, удалось аблировать полимер путем настройки длины волны в максимум полосы поглощения C-H связи. В обоих экспериментах использовался непрерывный лазер. Однако, для обеспечения возможности измерений с временным разрешением (например, LIDAR) и повышения производительности лазерной обработки требуются высокоэнергетические импульсные лазеры среднего ИК диапазона.

Для генерации таких импульсов методы переключение усиления и модуляции добротности широко применялись в одномодовых фторидных волоконных лазерах, легированных как эрбием (Er), так и гольмием (Ho), излучающих в диапазоне от 2,7 до 3,0 мкм. Была достигнута энергия импульса вплоть до 10 мкДж с длительностью примерно в 100 нс. Однако, существует спрос на более длинные волны, позволяющие работать LIDAR в окне прозрачности атмосферы от 3 до 5 мкм. Для удовлетворения данных потребностей в настоящее время исследуются эрбиевые переходы с двухволновой накачкой для генерации излучения в диапазоне от 3,4 до 3,8 мкм с модуляцией добротности и переключением усиления, получая на выходе импульс с мощностью до 7.8 мкДж. Несмотря на все достижения, до сих пор остается проблема с непокрытым диапазоном от 3.0 до 3.4 мкм, что подчеркивает потребность в рассмотрении альтернативных волокон, активированных редкоземельными элементами.

Для начала рассмотрим активную модуляцию с помощью акустооптического перестраиваемого фильтра (АОПФ). АОПФ состоит из анизотропного кристалла TeO2 в «режиме медленного обмена»; приложение синусоидального напряжения к присоединенному преобразователю генерирует акустические поперечные волны, которые распространяются через кристалл. При падении света на устройство только узкая полоса длин волн может удовлетворить условию фазового синхронизма для конструктивной интерференции с акустическими волнами. Затем эти волны дифрагируют под другим углом по сравнению с недифрагированными, поэтому устройство действует как спектральный фильтр. Центральная длина волны настраивается путем изменения частоты возбуждения МГц, так как это изменяет частоту генерируемых акустических волн и, следовательно, условие фазового синхронизма. Чтобы использовать АОПФ в качестве переключателя добротности, синусоидальный сигнал МГц стробируется функцией модуляции прямоугольной волны, которая эффективно включает и выключает управляющий сигнал и изменяет отношение падающего света, который дифрагирует в луч 1-го порядка (оставшийся свет передается через АОПФ без дифракции, известный как 0-й порядок). Отметим, что АОПФ, использованный в вышеприведенных экспериментах (Gooch & Housego), имеет полосу пропускания фильтра 5 нм, время нарастания 25 мкс и максимальную дифракционную эффективность 75%.

АОПФ заключен в линейную полость с 1,6 м на 2000 мол10-6 Dy: ZBLAN волокно (диаметр сердцевины 12,5 мкм, 0,16 NA, Le Verre Fluoré) и входное дихроичное зеркало, которое имеет широкое отражение за пределами 2,95 мкм (рисунок 1). В качестве выходного сигнала принимается 0-й порядок (недифрагированный свет) от АОПФ (который проходит через фильтр, отсекающий непоглощенный свет накачки), а дифрагированный свет резонирует с широкополосным отражающим золотым зеркалом.

Д1

Рисунок 1. Схема лазера Dy: ZBLAN с активной модуляцией добротности

Чтобы продемонстрировать типичные характеристики лазера, частота возбуждения АОПФ установлена на 18,1 МГц, что соответствует центральной длине волны фильтра 3,1 мкм. Эта длина волны не может быть создана нынешним поколением волокон, легированных редкоземельными элементами, что подчеркивает преимущества иона диспрозия. В этих условиях пороговая мощность накачки составляет 400 мВт.

Для генерации импульсов с модуляцией добротности прямоугольная модуляция применяется к синусоиде в функциональном генераторе с частотой модуляции fmod и скважностью D = τONfmod, где τON - время включения АОПФ за цикл (т. е. формирование резонатора с высокой добротностью за счет дифрагирования света к золотому зеркалу, в связи с чем внутрирезонаторное поле увеличивается за счет извлечения усиления из возбужденного волокна с диспрозием). Для оптимальной работы максимальная энергия должна извлекаться из усиливающей среды за один импульс цикла модуляции, с избеганием генерации в многоимпульсном режиме, который критически зависит от параметров модуляции. Экспериментально было обнаружено, что если модулятор активен в течение слишком короткого времени в процессе каждого цикла, то генерация подавляется, но если время включения слишком велико (т.е. слишком высокий рабочий цикл), то за один цикл формируется несколько импульсов. Поэтому для всех экспериментов эмпирически был оптимизирован сигнал модуляции в целях достижения одноимпульсной режима.

Было обнаружено, что при мощности накачки в 450 мВт постоянное время включения АОПФ равняется τON = 20 мкс, что обеспечивает стабильную одиночную генерацию импульсов в широком диапазоне частот модуляции от 100 Гц до 20 кГц. Таким образом, для каждой частоты необходимо было установить соответствующий цикл. По мере увеличение мощности накачки требовалось уменьшать время включения АОПФ (16 мкс для накачки 600 мВт и 14,5 мкс для 750 мВт), чтобы избежать многоимпульсного режима (дальнейшее обсуждение динамики лазера, связанной с этим явлением, наряду с моделированием, приведено ниже в разделе 2.2).

При оптимизированных параметрах лазер генерировал в режиме модуляции добротности стабильную серию импульсов в форме Гаусса с частотой следования, соответствующей частоте модуляции (рисунок 2 а). В спектре наблюдается единственный пик при 3.1 мкм (рисунок 2 b). По сравнению с непрерывным режимом работы (без АОПФ модуляции), полоса лазера, с модуляцией добротности, слегка расширена, вероятно, из-за самомодуляции от увеличения пиковой мощности. Частота следования импульсов может непрерывно изменяться от 100 Гц до 20 кГц, с поддержкой стабильной пульсации и регулировкой частоты модуляции АОПФ. По мере увеличения частоты следования длительность импульса была изначально постоянной, но выше частот в несколько кГц наблюдалось значительное уширение (рисунок 2 c).

Д2

Рисунок 2. Характеристики лазера с активной модуляцией добротности на длине волны 3,1 мкм c мощностью накачки 450 мВт: (а) последовательности импульсов на частотах 0,2 кГц (внизу) и 2 кГц (вверху); (б) оптический спектр; (c) формы импульсов при 0,2 кГц, 2 кГц, 10 кГц и 20 кГц.

Чтобы понять потенциальное пространство параметров импульса, предлагаемое данным лазером, выходной сигнал был полностью исследован в диапазоне частот повторений от 100 Гц до 20 кГц при различных мощностях накачки (рисунок 3). Наблюдаемое поведение типично для лазеров с периодической модуляцией добротности и может быть объяснено рассмотрением двух различных областей для любой заданной мощности накачки. При низких частотах следования поглощение накачки насыщается в течение длительного времени, когда генерация запрещена (т.е. когда АОПФ выключен). Поскольку энергия, которая может быть извлечена из возбужденной усиливающей среды (и связанная с ней динамика нарастания), зависит от того, насколько выше порогового значения она накачивается, это насыщение приводит к почти постоянным энергиям и длительностям импульсов при низкой частоте повторения. Увеличение частоты следования линейно увеличивает среднюю мощность, поскольку в секунду излучается больше импульсов с постоянной энергией. Однако при высоких частотах повторения (с более коротким временем для эффектов насыщения накачки) средняя мощность приближается к постоянному значению, приблизительно равному выходной мощности, если бы лазер работал в непрерывном режиме. Таким образом, увеличение частоты импульсов приводит к снижению энергии импульса. Следовательно, длительность импульса увеличивается, поскольку уменьшенная энергия импульса приводит к более слабой модуляции чистого усиления и, таким образом, более медленному нарастанию/спаду оптической мощности. Следовательно, активная модуляция добротности обеспечивает почти постоянный коэффициент усиления пиковой мощности при низких частотах следования, но он резко падает на частотах выше ~ 1,5 кГц.

Переход между этими двумя рабочими областями происходит тогда, когда частота повторения приближается к скорости спонтанного распада возбужденного состояния. Для диспрозия, с временем жизни верхнего состояния τ = 650 мкс, эта точка перехода ожидается примерно при frep = 1/τ = 1,5 кГц, что хорошо подтверждается экспериментальными данными (рисунок 3). Как и ожидалось, большая мощность накачки приводит к увеличению средней выходной мощности в области высоких частот повторений, а большая скорость накачки приводит к более медленному изменению длительности и энергии импульса с увеличением частоты, что делает высокую мощность накачки благоприятной для оптимальной производительности при высоких частотах. Однако, максимальная энергия импульса не претерпела значительных изменений, что также может быть связано с необходимостью уменьшить время включения АОПФ при более высоких мощностях накачки чтобы поддерживать стабильную работу с одиночными импульсами. Обобщая эти данные, на рисунке 3 показано, что лазер может генерировать импульсы с модуляцией добротности длительностью τ = 270 нс с энергией импульса E до 12 мкДж, что соответствует пиковой мощности до 39 Вт (рассчитано с использованием Ppeak = 0.94E/τ, где 0.94 - коэффициент формы для гауссовых импульсов).

Д3

Рисунок 3. Изменение свойств лазерного импульса с активной модуляцией добротности в зависимости от частоты следования на 3,1 мкм: (а) средняя мощность; (б) продолжительность; (c) энергия импульса и (d) пиковая мощность. (e) Выходные спектры для работы с модуляцией добротности на различных длинах волн в пределах диапазона настройки.

АОПФ допускает настройку в широкой полосе усиления диспрозия. Изменяя частоту синусоиды от 17,2 МГц до 18,9 МГц, лазер можно было настраивать от 2,97 мкм до 3,23 мкм с модуляцией добротности во всей области длин волн (рисунок 3 е), хотя модулятор приходилось оптимизировать каждый раз. Это вполне ожидаемо, поскольку сечение излучения диспрозия изменяется в зависимости от длины волны, что влияет на коэффициент усиления и, таким образом, влияет на динамику инверсии. Однако, с появлением самонастраивающихся лазерных конструкций, например, используя последние достижения в области искусственного интеллекта, можно предположить, что процесс оптимизации параметров модуляции может быть автоматизирован для выходных свойств по требованию, особенно потому, что временная и спектральная фильтрация здесь уже полностью управляется электроникой без каких-либо движущихся частей. Кроме того, ожидается, что диапазон настройки может быть увеличен за счет уменьшения потерь в резонаторе. Например, при использовании резонатора с меньшими потерями и перестройкой дифракционной решетки была продемонстрирована непрерывная генерация с диспоозиевым волокном в диапазоне от 2,8 до 3,4 мкм.

 

© Le Verre Fluoré

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

Теги Диспрозий АОПФ средний ик диапазон
Новые статьи
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2