СУБПИКОСЕКУНДНЫЙ ГОЛЬМИЕВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ДИСКОВЫМ ЛАЗЕРОМ

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам, генерируемым на длине волны 2,1 мкм.
Лазеры на основе оптических волокон, легированных ионами гольмия, излучают в наиболее длинноволновой части спектра по сравнению с другими лазерами, использующими кварцевые волокна. Спектральный диапазон их генерации составляет 2-2.15 мкм [Kurkov A.S., Sholokhov E.M., Medvedkov O.I., Dvoyrin V.V., Pyrkov Yu.N, Tsvetkov V.B., Marakulin A.V., and Minashina L.A. Laser Phys. Letters, 6, 661 (2009).]. Этот диапазон соответствует окну прозрачности атмосферы, что делает такие лазеры перспективными для использования в лазерной локации, передачи информации по воздуху и пр. В настоящее время известны цельноволоконные гольмиевые лазеры с выходной мощностью до 10 Вт [Kurkov A.S., Dvoyrin V.V., Marakulin A.V. Optics Letters, 35, 490 (2010).] и квантовой эффективностью 0.81 [Курков А.С., Шолохов E.M., Цветков В.Б., Маракулин А.В., Минашина Л.А., Медведков О.И., Косолапов А.Ф.. Квантовая Электроника, 41, 492 (2011).], а также лазер на объемных элементах с мощностью 83 Вт [Jackson S.D., Sabella A., Hemming A., Bennetts S., and Lancaster D.J., Optics Letters 32, 241 (2007).]. Реализованные устройства излучали либо в непрерывном режиме, либо в режиме самомодуляции добротности с длительностью импульса, составляющей сотни наносекунд [Курков А.С., Шолохов E.M., Маракулин А.В., Минашина Л.А., Квантовая, электроника, 40, 858 (2010).]. В то же время, для ряда применений необходимым представляется получение импульсов с существенно меньшей длительностью, достижимой при работе лазера в режиме синхронизации мод.
Кроме того, известна конфигурация лазера на длину волны 2,05 мкм с синхронизацией мод (US 20011/0222562), генерирующая импульсы длительностью несколько сотен фемтосекунд, включающая оптическое волокно, легированное ионами гольмия, которое используется в качестве усиливающей среды, с одной стороны соединенное с ответвителем и с другой стороны с выходным отражателем. Источник накачки соединен с первым входом ответвителем, а насыщающийся поглотитель, оптически связанный с легированным волокном, соединен со вторым входом ответвителя. В качестве источника накачки в данной схеме может быть использован лазерный диод, многомодовый или одномодовый лазер с длиной волны 790 нм. Насыщающийся поглотитель содержит оптический компонент, с которым поглощение света понижается при повышении интенсивности света. Насыщающийся поглотитель может быть пассивным или активным. В качестве насыщающегося поглотителя могут быть использованы многослойные полупроводниковые зеркала с высоко отражающим покрытием порядка 2 микрон, широкополосная волоконная Брэгговская решетка. Выходной отражатель представляет собой диэлектрическое покрытие на конце волокна или зеркало на основе волоконного ответвителя. Частота следования импульсов в такой конфигурации составляет от 0,1 до 20 ГГц.
Однако недостатком такой конфигурации является использование диодов накачки с длинами волн в диапазоне малого поглощения ионами гольмия, что существенно понижает эффективность рассмотренной конфигурации (<10%).
Для устранения указанного недостатка предложена данная полезная модель.
В данной полезной модели в качестве источника накачки впервые предлагается использовать полупроводниковый дисковый лазер [Охотников О.Г.. Квантовая Электроника, 38, 1083 (2008).], что позволяет сделать схему лазера более компактной и повысить эффективность ввода излучения накачки в волокно до 70%. При этом накачка осуществляется в сердцевину волокна, что позволяет достигать высокой степени инверсии населенности.
Основной целью данной полезной модели является реализация схемы импульсного гольмиевого волоконного лазера с накачкой полупроводниковым дисковым лазером.
Технический результат повышение эффективности ввода излучения накачки в волокно до 70%.
Субпикосекундный гольмиевый волоконный лазер (фиг.1) содержит источник накачки, соединенный посредством ответвителя с активным волокном легированным гольмием, заключенным в резонатор, состоящий, с одной стороны, из насыщающийся поглотитель и, с другой стороны, из выходного зеркала. При этом в качестве элемента накачки использован полупроводниковый дисковый лазер, резонатор лазера сформирован полупроводниковым насыщающимся поглотителем и диэлектрическим дихроичным зеркалом, а для вывода излучения использован дополнительный ответвитель.
3+
19
-3
-3
2
В качестве активной среды лазера использовано оптическое волокно (фиг.1), легированное ионами Ho с концентрацией активных ионов 5.4·10 см. Разность показателей преломления сердцевины и оболочки составляла 6·10, длина волны отсечки - около 2 мкм. Дисперсия групповых скоростей в области генерации определяется в основном материальной дисперсией и составляет около - 50 пс/нм·км. Длина волокна в резонаторе составила 0.8 м. Резонатор лазера сформирован полупроводниковым насыщающимся поглотителем (SESAM) и диэлектрическим дихроичным зеркалом. Поглотитель, содержащий 15 квантовых ям на основе GaInSb выращен методом молекулярно-лучевой эпитаксии в едином процессе монолитно с брэгговским отражателем, состоящим из 18-пар AlAsSb-GaSb. Плотность энергии насыщения составила 46 Дж/см, а глубина модуляции - 10%. При комнатной температуре фотолюминесценция квантовых ям имела спектральный максимум на длине волны 2035 нм. Коэффициент отражения распределенного брэгговского зеркала составлял 99.8% в диапазоне 1850-2150 нм. Время релаксации поглотителя было снижено до нескольких пикосекунд за счет ионного облучения. Дихроичное диэлектрическое зеркало имело высокий коэффициент отражения на длине волны генерации и высокий коэффициент пропускания на длине волны накачки. Отсутствие отражение накачки позволяет предотвратить насыщение и оптическое повреждение насыщающегося поглотителя. В схеме лазера использовался волоконный ответвитель - для разделения излучения накачки и вывода сигнала генерации, соответственно. Дополнительный волоконный ответвитель обеспечивал вывод 1% внутрирезонаторной мощности.
Для накачки использовались два полупроводниковых дисковых лазера с длинами волн излучения 1104 и 1160 нм. Благодаря высокому качеству выходного пучка полупроводниковых дисковых лазеров эффективность ввода излучения в волокно составила более 70% для обоих образцов. Максимальная мощность накачки, введенная в волокно, составила 1.3 Вт.
В эксперименте исследовался непрерывный гольмиевый лазер. Конфигурация лазера была аналогична схеме, показанной на фиг.1, однако вместо насыщающегося поглотителя использовалось высокоотражающее зеркало, а мультиплексор для вывода излучения генерации имел коэффициент деления 30:70. При накачке на длине волны 1104 нм выходная мощность составила 50 мВт при мощности накачки 1 Вт, а для накачки на 1160 нм - 130 мВт при мощности накачки 0.9 Вт. В обоих случаях лазер генерировал в непрерывном режиме на длине волны 2.1 мкм.
При установке в схему насыщающегося поглотителя SESAM и использовании накачки на 1104 нм был получен режим синхронизации мод. Соответствующая последовательность импульсов показана на фиг.2. Частота повторения импульсов определялась общей длиной резонатора и составила 34 МГц. Средняя выходная мощность составила 6.6 мВт. На фиг.3 показана осциллограмма одиночного импульса, полученная с использованием фотодетектора с временным разрешением 0.4 нс.
Таким образом, впервые реализован гольмиевый волоконный лазер, излучающий в режиме пассивной синхронизации мод. В качестве затвора использован полупроводниковый насыщающийся поглотитель (SESAM). Также впервые для накачки гольмиевых волоконных лазеров применены полупроводниковые дисковые лазеры, которые позволяют построить мощные и эффективные волоконные генераторы, поскольку излучают значительные мощности при диффракционно-ограниченном качестве пучка выходного излучения. Это дает возможность вводить в сердцевину одномодового световода многоваттные мощности с эффективностью свыше 80%. Частота повторения импульсов составила 34 МГц, длительность - 830 фс, средняя выходная мощность - 6.6 мВт.