Главная / Библиотека / Волоконный лазер на длине волны 3.92 мкм работающий при комнатной температуре

Волоконный лазер на длине волны 3.92 мкм работающий при комнатной температуре

Теги волоконный лазер ИК Диспрозий
Волоконный лазер на длине волны 3.92 мкм работающий при комнатной температуре

Волоконные лазеры, легированные редкоземельными элементами, являются многообещающими претендентами на развитие спектроскопии в открытом космосе и военных систем в спектральной области 3-5 мкм. Но из-за ограниченной полосы пропускания фторцирконатного стекловолокна в таких системах удалось достичь покрытия по длине волны только до 3,8 мкм, что вызывает потребность в разработке более подходящих композиций стекловолокна.

Волоконные лазеры (ВЛ) применяются в медицине, спектроскопии и производстве благодаря ограниченному дифракцией качеству луча, прочной конструкции, малой занимаемой площади и легкому обслуживанию. Однако проблемой является расширение диапазона длин волн ВЛ в среднюю инфракрасную (ИК) область спектра, особенно выше 3 мкм с сохранением значительной выходной мощности. Эта спектральная область привлекает большое внимание из-за присутствия фундаментальных полос молекулярного поглощения, позволяющих применять спектроскопию и дистанционное зондирование. Кроме того, его перекрытие с атмосферным окном пропускания на 3,9 мкм представляет особый интерес для военных приложений и связи в открытом космосе.

Учитывая большое количество оптических переходов в редкоземельных (РЗ) элементах, заключенных в стекло, волокна из такого материала демонстрируют значительный охват длин волн в средней ИК области (рисунок 1).  В ближнем инфракрасном диапазоне на длинах волн около 2 мкм ВЛ из диоксида кремния, легированные тулием (Tm3+), с диодной накачкой, достигли уровня выходной мощности в киловатт, что стало возможным благодаря наличию высокомощных компонентов, а также высокой механической и термической прочности кремнеземных волокон. Однако ограниченная полоса пропускания и высокая энергия фононов (1100 см-1) в волокнах на основе диоксида кремния делают лазерное излучение выше 2,2 мкм очень маловероятным. С другой стороны, волокна на основе фторида циркония (ZrF4) обладают относительно низкой энергией фононов 574 см-1, что определяет их край пропускания ИК излучения около 4 мкм. Лазеры на таком волокне показали лучшею генерацию в среднем ИК выше 2,4 мкм (рисунок 1). Использование волокон с Брэгговскими решетками (БР), а также одномодовых сращиваний, монолитные цельноволоконные лазеры, легированные эрбием (Er3+), с фазовой накачкой, были продемонстрированы как на длине волны 2,94 мкм, так и 3,55 мкм при выходной мощности 30 и 5,6 Вт соответственно. Кроме того, в волоконном лазере на основе диспрозия (Dy3+) была достигнута мощность 1,06 Вт при 3,15 мкм и 4 мВт на 3,78 мкм путем растягивания пропускания до перехода на 3,5 мкм в световодах Er3+: ZrF4. Наконец, о самой большой длине волны, полученной с помощью волоконного лазера на сегодняшний день, два десятилетия назад сообщил Шнайдер и др., которые продемонстрировали выходную мощность 11 мВт на длине волны 3,9 мкм на переходе гольмия (Ho3+) 5I5 → 5I6  в волокне ZrF4.Однако данный ВЛ имел серьезный недостаток, заключающийся в том, что для достижения порога генерации требовалось охлаждение жидким азотом и накачка титан-сапфировым лазером. Это проистекает из фононных свойств стекол на основе ZrF4, которые препятствуют лазерному излучению на длинных волнах по двум основным причинам: во-первых, из-за того, что излучение РЗ ионов деградирует под воздействием многофононного (МФ) тушения, которое экспоненциально растет с увеличением длины волны и температуры; во-вторых, лазерному излучению на более длинных волнах также препятствует прозрачность стекла ZrF4, которая быстро падает при достижении 4 мкм. Поэтому, в целях обеспечения подходящих оптических свойств для лазерного излучения около 4 мкм и выше, были предприняты попытки поиски различных стеклянных матриц с РЗ. Появление в последнее время нового поколения стеклянных волокон InF3 с низкими потерями и высокой концентраций РЗ с шириной окна пропускания до 5 мкм представляет собой решающий шаг на пути к новому поколению волоконных лазеров для среднего ИК диапазона.

L1

Рисунок 1. Зависимость выходной мощности ВЛ среднего ИК, легированного РЗ элементами при комнатной температуре в непрерывном режиме

Таким образом, в данной статье пойдет речь о самом длинноволновом волоконном лазере с диодной накачкой при комнатной температуре, работающем на длине волны 3,92 мкм на основе нового стекловолокна из фторида индия, легированного гольмием (Ho3+: InF3). Высокая концентрация Ho3+ нужна для усиления ап-конверсии. При поглощении из возбужденного состояния (ПВС) на длине волны накачки 888 нм свободно работающий резонатор выдает около 200 мВт мощности с дифференциальной эффективностью около 10%. Эта показывает преимущества использования волокон InF3 для получения длинноволновых переходов в РЗ ионах при комнатной температуре и знаменует собой новое поколение ВЛ среднего ИК, излучающих около 3,9 мкм и выше.

Диаграмма парциальных уровней энергии системы Ho3+: InF3 вместе с соответствующими физическими процессами представлена ​​на рисунке 2 (а), где в правой части указаны времена жизни различных энергетических уровней. Поглощение из основного состояния (ПОС) на 888 нм на переходе 5I8 → 5I5 обеспечивает прямую накачку верхнего лазерного уровня с переходом на 3.9 мкм. На рисунке 2 (c) представлено сечение этого перехода, которое достигает максимума при 888 нм и составляет 4,3 × 10-26 м-2. Такая длина волны накачки легко обеспечивается с помощью мощных многомодовых лазерных диодов и предлагает простой и удобный подход для генерации излучения на 3 мкм в волокнах Ho3+: InF3. Лазерное излучение около 3,9 мкм происходит между двумя возбужденными уровнями системы Ho3+: InF3 на переходе 5I5 → 5I6.  Как представлено на рисунке 2 (b), сечение этого перехода было измерено в объемном Ho3+: InF3. Можно видеть, что он имеет диапазон от 3840 до 4020 нм, перекрывая окно пропускания атмосферы на 3,9 мкм и имеет пиковое сечение 3,4 × 10-25 м-2 около 3,92 мкм. Измеренное время жизни верхнего лазерного уровня 5I5 в объемном Ho3+: InF3, включая радиационный и безызлучательный распад, составило 135 мкс. Для сравнения, измеренное время жизни того же уровня в Ho3+: ZrF4 составляет 43 мкс, что объясняется более высокой энергией фононов ZrF4 (574 см-1) по сравнению с InF3 (509 см -1). Тем не менее, переход на 3,9 мкм в стеклах Ho3+: InF3 остается самоограничивающимся, поскольку время жизни нижнего уровня (5I6) в 46 раз больше времени жизни верхнего. Однако недавние спектроскопические исследования показали, что это ограничение можно снять с помощью высоких концентраций Ho3+, который усиливает процессы ап-конверсии. Более того, ПВС при 888 нм также может происходить на переходе 5I7 → 5F5, что оказывает двойное влияние на эффективность лазера на 3,9 мкм. Она не только противодействует образованию заторов на долгоживущем уровне 5I7, но и фактически переводит ионы с последнего уровня на уровень 5F5, которые затем падают МФ до уровня 5I5. Среди различных переходов, о которых сообщалось в Ho3+: InF3, тот, который проиллюстрирован на рисунке 2 (а) (т.е. 5I65I6 → 5I85F5), наиболее благоприятен для лазерного излучения на длине волны 3,9 мкм. Ап-конверсия способствует инверсии населенности перехода 3,9 мкм, поскольку она удаляет два иона с нижнего энергетического уровня 5I6 и возвращает один из этих ионов обратно на верхний лазерный уровень 5I5. Подобный механизм рециркуляции уже используется для увеличения эффективность самоограниченного перехода 4I11∕2 → 4I13∕2 в сильнолегированных волоконных лазерах на Er3+:ZrF4 на длине волны 2,8 мкм.

L2

Рисунок 2. а) Схема энергетических уровней Ho3+InF3 с соответствующими физическими процессами; (б) сечение излучения 5I5 → 5I6; (в) сечение поглощения 5I8 → 5I5. GSA – поглощение из основного состояния; ESA – поглощение из возбужденного состояния; ETU – Ап-конверсия, повышающая преобразование передачи энергии

Схема волоконного лазера 3,92 мкм, работающего при комнатной температуре приведена на рисунке 3. Полость волокна изготовлена из 23 см, 10 мол % Ho3+: InF3 волокна с двойной оболочкой, разработанного Le Verre Fluoré. Короткая длина волокна была выбрана для ограничения реабсорбции излучения с основного уровня, которое может происходить при недостаточной накачке. Молярный состав сердцевины волокна: 31InF3-30,5BaF2-19ZnF2-9,5SrF2-10HoF3, а молярный состав оболочки: 41InF3-33BaF2-18ZnF2-8SrF2. Многомодовая сердцевина волокна имеет диаметр 16 мкм и числовую апертуру (NA) 0,2. Диаметр оболочки составляет 100 мкм. Она покрыта фторакрилатом с низким показателем преломления, который обеспечивает многомодовое наведение (NA> 0,4) на длине волны 890 нм и усечена двумя параллельными плоскостями, разделенными на 90 мкм для увеличения поглощения накачки оболочки. Как показано на рисунке 4, затухание в сердцевине вытянутого волокна в области 3,4–4,0 мкм лежит ниже 0,2 дБ / м, что делает волокно InF3 подходящим для лазерного излучения на 3,9 мкм.

L3

Рисунок 3. Схема экспериментальной установки волоконного лазера 3,92 мкм, способного работать при комнатной температуре. LD – многомодовый лазерный диод 888 нм, L1-L2 – расширяющая и фокусирующая линзы 1:2 соответственно, M1-M2 – зеркала с золотым напылением, DM1 – дихроичное зеркало, напыленное на кварц, DM2 –дихроичное зеркало, напыленное на ZnSe, PF – фильтр возбуждения

L4

Рисунок 4. Ослабление излучения в сердцевине волокна Ho3+:InF3 в диапазоне от 0.5 до 5 мкм

Зависимость выходной мощности на 3,92 мкм от мощности накачки 888 нм представлена ​​на рисунке 5. Порог лазерной генерации находится на уровне 4,3 Вт, а дифференциальная эффективность составляет 10,2%. Основываясь на поглощении при единичном прохождении накачки, эффективность по отношению к потребляемой мощности накачки была оценена примерно в 24%, то есть близка к эффективности Стокса системы, равной 23%. Следует отметить, что эффективность Стокса не учитывает рециркуляцию возбуждения через ап-конверсию. Рекордная выходная мощность 197 мВт была достигнута при мощности возбуждения накачки 6,2 Вт. Выше этого уровня накачки из-за избыточной тепловой нагрузки резонатор выходил из строя на стыке между волокном и входным дихроичным зеркалом. На рисунке 6 показан выходной спектр лазера при различных мощностях. Свободно вращающийся резонатор излучает четыре различных лазерных полосы между 3917 и 3924 нм, которые расположены около пика сечения излучения, измеренного в объемном Ho3+: InF3 с идентичный составом. Сканирование в широком диапазоне длин волн не выявило каких-либо спектральных особенностей вблизи 2,1 и 2,9 мкм, которые могли возникнуть при переходах с нижних энергетических уровней. Этим переходам, возможно, препятствовали процессы ПВС и Ап-конверсии, показанные на рисунке 2, в пользу перехода 3,9 мкм.

L5

Рисуноу 5. Зависимость выхоной мощности на 3,92 мкм от мощности накачки

L6

Рисунок 6. Спектр Ho3+: InF3 при различных мощностях

Когда диод накачки работал на малых мощностях, флуоресценция, излучаемая световодом Ho3+: InF3, имела ярко-красный цвет. По мере увеличения мощности накачки красная флуоресценция увеличивалась, в то время как дополнительные видимые компоненты придавали волокну больше розового свечения. При максимальной вводимой мощности накачки 6.2 Вт на входе в резонатор Ho3+InF3 отчетливо наблюдалась зеленая видимая флуоресценция. Изменение цвета волокна дает представление о кинетике населенностей локальных энергетических уровней. Постоянная красная флуоресценция, испускаемая ионами Ho3+, соответствует спонтанному радиационному переходу в основное состояние, происходящее с уровня 5F5, что указывает на рост населенности на этом уровне. Это наблюдение согласуется с энергетической диаграммой уровней, изображенной на рисунке 2, где видно, что ПВС на 888 нм от уровня 5I7 и ап-конверси с уровня 5I6 способствует продвижению ионов на уровень 5F5. Более того, красная флуоресценция предполагает, что вклад ПВС и Ап-конверсии увеличивает эффективность лазера на 3,9 мкм, позволяя рециркулировать возбуждение накачки и организуя заторы для ионов на нижних энергетических уровнях (5I75I6). Что касается дополнительных видимых флуоресцентных компонентов, излучаемых волокном при более высоких уровнях накачки, спектроскопические исследования объемных Ho3+:ZrF4 показывают, что они являются результатом второго ПВС на 888 нм, происходящего с уровня 5I5. Кроме того, с помощью предварительного численного моделирования было исследовано преимущество ПВС на 888 нм (4I7 → 4F5) и Ап-конверсии 3,9 мкм. Хотя точность модели сильно ограничена, с учетом того, что важнейшие спектроскопические параметры в настоящее время неизвестны, модель ясно показывает, что никакого выигрыша достигнуто быть не может, если не произойдет ап-конверсии. Более того, хотя для получения усиления на 3,9 мкм одного ПВС недостаточно, моделирование также подтверждает преимущество ПВС в отношении усиления при возникновении ап-конверсии.

 

 

© Le Verre Fluoré

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

Теги волоконный лазер ИК Диспрозий
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