Импульсный цельноволоконный эрбиевый лазер с пассивной модуляцией добротности на основе волоконного насыщающегося тулиевого поглотителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Садовникова Яна Эдуардовна

• Садовникова Яна Эдуардовна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Садовникова Яна Эдуардовна

Список основных обозначений

ГЛАВА

ЭРБИЕВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА КАК АКТИВНАЯ СРЕДА ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ (по литературе)

1.1. Одночастотные волоконные лазеры

1.2. Волоконные лазеры на основе световодов с двойной оболочкой

1.3. Оптические волокна, легированные ионами эрбия, как активная среда лазера

1.4. Измерение степени кластеризация ионов Ег3+

1.5. Свойства Ег волокна с двойной оболочкой

ГЛАВА

ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ С ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ

2.1. Самомодуляция добротности

2.2. Самомодуляция, вызванная парами активных ионов

2.3. Лазеры с насыщающимися поглотителями

ГЛАВА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЦЕЛЬНОВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ С НАСЫЩАЮЩИМИСЯ ПОГЛОТИТЕЛЯМИ

3.1 Ег-Тт лазер*

3.2 Тт-Но лазер

3.3 Иттербиевый волоконный лазер в режиме модуляции добротности ... 69 ГЛАВА

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА И ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО

ЭРБИЕВОГО ЦЕЛЬНОВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА

4.1 Приборное исполнение Ег-Тт лазера и руководство по эксплуатации прибора

4.2. Генерация суперконтинуума в среднем ИК-диапазоне, полученная с использованием импульсного эрбиевого волоконного лазера

4.3 Лазерная установка на основе Ег-Тт волоконного лазера

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы и основные результаты

Благодарности

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Импульсный цельноволоконный эрбиевый лазер с пассивной модуляцией добротности на основе волоконного насыщающегося тулиевого поглотителя»

Актуальность темы

В волоконной оптике, как и в любой другой быстро развивающейся научной сфере, по ходу решения изначальной задачи, такой как передача света по волноводу, проявился целый ряд других возможностей, которые привели к увеличению круга изучаемых объектов и явлений и, в свою очередь, расширили область всевозможных применений оптических волокон и устройств на их основе. Так, в отдельную область можно выделить различные датчики, в основе которых находятся оптические волокна; помимо этого, появилось целое направление, которое связано с исследованиями дефектов в кварцевых стеклах и проблемами фоточувствительности волноводов на их основе. Также можно выделить отдельные исследования в следующих областях: прочность волноводов, создание оптических мультиплексоров, переключателей, модуляторов и др. К одному из таких отдельных направлений относятся разработка и исследование волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированных ионами редкоземельных элементов и устройств на их основе, к которым в первую очередь относятся волоконо-оптические усилители и лазеры.

С конца восьмидесятых годов волоконные лазеры начали стремительно развиваться. В основу исследований легли направления, которые были связаны с экспериментированием в использовании различных легирующих добавок в оптических волокнах для достижения заданных параметров генерируемого излучения. В частности, особый интерес представляла генерация сверхкоротких импульсов в инфракрасной области спектра. С 1993 года в сенсорике и сфере связи стали широко использоваться промышленные образцы эрбиевых лазеров [1]. В 1990-е годы мощность генерации эрбиевых лазеров превысила порог в 1 Вт, и был продемонстрирован эрбиевый 4-хваттный лазер [2]. После 2000 года привлекли к себе внимание иттербиевые лазеры, показавшие значительный потенциал для увеличения мощности [3].

Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной лазерной физики и волоконной оптики. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными лазерами, к числу которых относятся следующие:

• высокое качество выходного излучения;

• высокая стабильность и надежность лазера;

• эффективность использования накачки;

• компактность и малый вес.

Волоконные лазеры, работающие в импульсном режиме, представляют огромный интерес, поскольку позволяют достигать больших пиковых мощностей и энергий импульса при использовании накачки с относительно невысокой мощностью. Эти преимущества позволяют волоконным лазерам находить свою нишу в целом ряде применений, например, в обработке различных материалов, медицине, лазерной локации и пр. При этом для разных применений могут использоваться лазеры с различными длинами волн излучения, длительностями импульсов и частотами их повторения.

Так же как и для других типов лазеров, один из способов получения импульсного режима в волоконных лазерах может быть основан на внесении в резонатор элемента, обладающего поглощением в области генерации. При этом сечение поглощения поглотителя должно быть существенно выше сечения люминесценции излучающих ионов. Использование волоконного насыщающегося поглотителя (FSA) позволяет реализовать цельноволоконную схему, которая не требует юстировки, что значительно упрощает как изготовление самого лазера, так и его дальнейшее применение. Просветление любых волоконных поглотителей обуславливается возбуждением поглощающих ионов. В то же время по механизму релаксации и особенностям дизайна можно выделить несколько типов таких лазерных схем:

- С использованием поглотителя с безызлучательной релаксацией на основной уровень;

- С использованием возбуждения лазерной генерации в волоконном поглотителе;

- С применением волокон, легированных редкоземельными элементами с высокой концентрацией пар ионов;

- С использованием волокон с большой разницей в диаметре поля моды.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертации является реализация экспериментальной схемы и сборка в приборном исполнении полностью волоконного импульсного эрбиевого лазера с самомодуляцией добротности с использованием в качестве насыщающегося поглотителя волокна, сильно легированного ионами Тт3+, с мощной накачкой активного волокна в оболочку.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Проведение литературного обзора существующих конструкций волоконных лазеров;

2) Реализация экспериментальных схем цельноволоконных лазеров с волоконными насыщающимися поглотителями в различных конфигурациях (Yb-Tm, Тт-Но, Ег-Тт), работающих в импульсном режиме; исследование характеристик выходного излучения (спектр, длительность, энергия, пиковая мощность и частота следования импульсов) и их сравнительный анализ между реализованными лазерными схемами (Yb-Tm, Тт-Но, Ег-Тт);

3) Анализ зависимости характеристик выходного излучения каждой реализованной лазерной схемы (Yb-Tm, Тт-Но, Ег-Тт) от параметров (длина волокна и концентрация ионов в нем) волоконного насыщающегося поглотителя; выбор оптимальной длины поглотителя для каждой конфигурации лазера по измеренным характеристикам излучения при заданных параметрах; выбор (из исследованных Yb-Tm, Тт-Но, Ег-Тт) оптимальной лазерной схемы для ее дальнейшей реализации в приборном исполнении.

4) Сборка в приборном исполнении полностью волоконного импульсного эрбиевого лазера с пассивной модуляцией добротности, где в качестве затвора используется оптическое волокно, легированное ионами тулия;

5) Изучение области применения собранного Ег-Тт-лазера, а также его работы в некоторых технологических операциях.

Научная новизна работы обусловлена следующими результатами диссертации:

1) Впервые реализован в приборном исполнении импульсный цельноволоконный эрбиевый (Ег) лазер с пассивной модуляцией добротности, и исследованы выходные характеристики его излучения, а также их зависимость от параметров тулиевого (Тт) поглотителя.

2) Впервые в качестве насыщающего поглотителя используется волокно, сильно легированное ионами тулия (Тт), а мощность накачки активного волокна увеличена до 10 Вт, в результате чего увеличена мощность генерации эрбиевого (Ег) лазера на длине волны 1,58 мкм за счет накачки в оболочку активного волокна с увеличенным диаметром сердцевины до 20 мкм.

3) Реализованы экспериментальные схемы, и проведено сравнительное исследование выходных характеристик излучения иттербиевого (УЪ) лазера, работающего с насыщающимся поглотителем, легированным редкоземельным элементом тулием (Тт), и тулиевого (Тт) лазера, работающего с насыщающимся поглотителем, легированным редкоземельным элементом гольмием (Но), с параметрами выходного излучения эрбиевого лазера.

4) Продемонстирована эффективность Ег-Тт лазера для получения суперконтинуума в гольмиевых, халькогенидных и кристаллических волокнах.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

Результаты проведенных исследований имеют широкий круг возможных применений как в фундаментальных исследованиях, так и в прикладных областях науки.

Реализованная полезная модель Ег-Тт лазера относится к оптическим пиборам, в частности к волоконным лазерам, генерирующим на длине волны 1,58 мкм.

Использование лазеров на основе оптических резонаторов с самомодуляцией добротности позволяет повысить энергию лазерного

импульса, что является необходимым во многих приложениях лазерной техники, например, таких как обработка материалов, передача данных, медицина и т.п.

Перспективным направлением является использование разработанного Ег-Тт лазера в качестве задающего генератора для генерации суперконтинуума в среднем ИК-спектральном диапазоне.

Волоконные лазеры с активным оптическим волокном легированным Ег3+ особенно перспективны для медицинских применений, вследствие того, что их излучение (длина волны 1,58 мкм) безопасно для глаз и находится в диапазоне относительно высокого поглощения биологическими тканями.

Разработанный Ег-Тт лазер был использован в качестве оптического прибора для выполнения некоторых технологических операций по обработке материалов в г.Ульяновск. Результаты исследований приведены в диссертационной работе. Работы и научные исследования были поддержаны грантами РФФИ.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Одной из возможностей создать полностью волоконный лазер с самомодуляцией добротности в качестве оптического прибора является введение в резонатор в качестве насыщающегося поглотителя дополнительного оптического волокна с резонансными потерями на генерируемой длине волны.

2) Использование высококонцентрированных тулиевых оптических волокон позволяет получить импульсный режим в эрбиевых и иттербиевых лазерах; а использование высококонцентрированных гольмиевых оптических волокон позволяет получить импульсный режим в тулиевых лазерах. Импульсные характеристики выходного лазерного излучения зависят от длины насыщающегося поглотителя и концентрации ионов в нем.

3) Повышение мощности накачки активного оптического волокна до 10 Вт и мощности генерации эрбиевого лазера на длине волны 1,58 мкм достигается за счет накачки в оболочку активного волокна с увеличенным до 20 мкм диаметром сердцевины._Использование оптических волокон с

увеличенным до 20 мкм диаметром сердцевины позволяет использовать брэгговские решетки, записанные на многомодовых волокнах;

4) Созданный в приборном исполнении Er-Tm лазер позволяет эффективно преобразовывать импульсное излучение наносекундной длительности на длине волны 1,58 мкм в суперконтинуум среднего ИК-диапазона с использованием стандартных оптических волокон.

Личный вклад автора

Комплекс исследований, результаты которых приведены в данной работе, был выполнен лично автором или при его определяющем участии и заключался в постановке задач и разработке методов исследования, сборке схем волоконных лазеров, включая приборное исполнение, проведении необходимых расчетов и экспериментальных измерений, обработке и анализе полученных результатов. Автор принимал непосредственное участие в представлении результатов на конференциях и написании научных публикаций.

Достоверность и обоснованность

При решении поставленных задач в работе были использованы методы анализа лазерного излучения с помощью спектроанализатора ANDO AQ-6370, измерение мощности излучения и анализ осциллограмм с помощью программного обеспечения "Origm8" Проведенная работа обоснована необходимостью создания компактных лазеров с малым весом в цельноволоконном исполнении, работающих в импульсном режиме, что значительно упрощает сборку и юстировку лазерных элементов, не снижая качественных характеристик лазерного излучения.

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами воспроизводимых экспериментальных исследований. Было установлено, что при внесении в резонатор элемента, обладающего поглощением в области генерации лазера, достигается импульсный режим, а также выявлено, что выходные характеристики лазерного излучения зависят от параметров насыщающегося поглотителя.

Результаты и выводы диссертационной работы расширяют научные представления по данному направлению и не противоречат экспериментальным и теоретическими данными, полученными ведущими зарубежными и российскими учеными ранее.

Результаты проведенных исследований были представлены на международных и всероссийских конференциях и опубликованы в российских и международных рецензируемых журналах, в том числе входящих в базы данных Web of Science и Scopus.

Апробация работы

Результаты работы представлялись на научно-технической конференции МГУПИ в 2012, 2013 годах, Москва, Россия; на конференции научной школы молодых ученых «Всероссийская (с международным участием) научная конференция-школа "Материалы нано-, микро- оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение" (ВНКШ)» в 2010-2014 годах, Саранск, Россия; на всероссийской конференции по волоконным лазерам «Российский семинар по волоконным лазерам» в 2012 году, Новосибирск, Россия; на международных конференциях по лазерной физике: «CLEO/Europe» в 2011 году, Мюнхен, Германия; «20th International Laser PhysicsWorkshop (LPHYS'11)» в 2011 году, Сараево, Босния и Герцеговина; ICONO/LAT international conference в 2011 году, Москва, Россия; «The 21th annual international conference on advanced laser technologies ALT'13» в 2013 году, Будва, Черногория; на российской научно-технической конференции с международным участием «ОПТОТЕХ» в 2018 и 2021 годах, Москва, Россия, на национальной научно-технической конференции с международным участием «Перспективные материалы и технологии» («ПМТ - 2022»), г. Москва, 2022 г.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 12 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ (7 Web of Science и 5 Scopus) и в 10 тезисах в сборниках трудов российских и международных конференций, а также

докладывались на всероссийских и международных конференциях. Так же получен патент «Эрбиевый волоконный лазер с самомодуляцией добротности / Курков А.С., Маракулин А.В., Новиков С.Г., Садовникова Я.Э., Шолохов Е.М. Заявка: 2012122048. Дата подачи заявки: 2012.10.10. Решение о выдаче патента от 28.05.2012».

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников литературы, включающего 48 наименований. Общий объем диссертации составляет 100 страниц текста, включая 70 рисунков, 3 таблицы.

ГЛАВА 1

ЭРБИЕВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА КАК АКТИВНАЯ СРЕДА ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ (по литературе)

Волоконные лазеры в качестве активной среды используют волоконные световоды, легированные ионами активных примесей. В случае использования кварцевых волоконных световодов наибольшее распространение нашли ионы эрбия, неодима, иттербия, тулия и гольмия. В таблице 1. 1 представлены спектральные области ближнего ИК-диапазона, в которых данные активные ионы имеют полосы люминесценции, перспективные для получения лазерной генерации.

Активный ион Ш3+ Yb3+ Ег3+ Тт3+ Но3+

Область люминесценции, мкм 1.05-1.1 1.03-1.16 1.53-1.6 1.7-1.9 1.9-2.1

Табл. 1.1. Спектральные области ближнего ИК-диапазона

Условием возникновения генерации является наличие обратной связи в резонаторе волоконного лазера. В первых экспериментах для создания такой связи использовались дискретные элементы, такие как зеркала, либо в качестве отражателей использовались торцы волоконного световода. Значительный прогресс в области волоконных лазеров был достигнут в связи с разработкой и широким применением Брэгговских волоконных решеток, которые могут использоваться в качестве селективных отражателей, формируя резонатор лазера. Это было впервые продемонстрировано в работах [4, 5]. В сочетании с применением полупроводниковых источников накачки это позволяет создавать компактные устройства, излучающие в диапазоне 1.0-1.2 и 1.5-2 мкм. В

зависимости от конструкции лазера и используемого источника накачки выходная мощность волоконного лазера может составлять от долей мВт до 100 Вт. Ширина линии излучения таких устройств может составлять от десятков кГц до сотен ГГц.

На рис.1.1 представлена простейшая конфигурация волоконного лазера, состоящего из полупроводникового источника накачки с волоконным выходом, отрезка волоконного световода, легированного активными ионами, и двух Брэгговских решеток. Входная Брэгговская решетка обычно имеет коэффициент отражения близкий к 1, а необходимый коэффициент отражения выходной решетки обуславливается величиной усиления излучения в активном световоде. Данная схема лежит в основе других конфигураций волоконных лазеров, в частности одночастотного лазера и лазера на основе волоконного световода с двойной оболочкой. Остановимся на них более подробно. Источник Активный

накачки

световод

и

Сигнал

Накачка

Брэгговские решетки

Рис. 1.1. Простейшая конфигурация волоконного лазера.

1.1. Одночастотные волоконные лазеры

Данный тип волоконных лазеров характеризуется узкой шириной линии излучения, составляющей десятки килогерц, что достигается генерацией в одной продольной моде. Частотное расстояние Ау между продольными модами лазера определяется длиной резонатора L:

¿V =

2-Х.-л

(1.1)

где с/п - скорость света в среде.

Для обеспечения одночастотного режима генерации необходимо обеспечить дискриминацию других продольных мод, что может достигаться дискриминацией коэффициента отражения. Принимая, что характерная ширина спектра отражения Брэгговской решетки составляет 0.05-0.1 нм, длина резонатора должна составлять 1-2 см для генерации в области 1.55 мкм для конфигурации, изображенной на рис. 1.1. Учитывая, что в эрбиевых волоконных световодах кластеризация ограничивает концентрацию активной примеси на уровне ~ 1019 см-3, усиление за двойной проход такого резонатора составляет 0.2-0.5 дБ. Это приводит к необходимости использования выходной решетки с коэффициентом отражения более 0.9, и малой эффективности использования излучения накачки [6]. Так, характерная выходная мощность лазеров в диапазоне 1.55 мкм составляет доли милливатта при накачке, составляющей несколько десятков милливатт [7, 8].

Другая конфигурация одночастотного волоконного лазера предусматривает использование Брэгговских решеток со сдвигом л/2 в центре решетки, играющих роль отражателя и активной среды одновременно. Фазовый сдвиг преобразует Брэгговскую решетку в интерферометр Фабри-Перо с единственным пиком пропускания. Такая структура обеспечивает строгий одночастотный режим генерации. Достоинством такой схемы является возможность удлинения резонатора. Однако это требует использования соответствующих фазовых масок. Поэтому на практике длина решетки не превышает 10 см. Принципиальным моментом является также фоточувствительность активного волокна. Это приводит к усложнению химического состава и структуры активного световода. Так, в работе [9] был продемонстрирован одночастотный волоконный лазер с выходной мощностью 10 мВт при накачке 110 мВт, при этом используемый световод имел состав сердцевины Eг/Yb/Sn/Al/P. В работе [10] было предложено использование

световода с оболочкой на основе фоточувствительного стекла, легированного GeO2/B2O3.

1.2. Волоконные лазеры на основе световодов с двойной оболочкой

Данный тип лазеров используется для достижения высоких (более 1 Вт) выходных мощностей. В качестве активной среды мощных волоконных лазеров используются волоконные световоды, состоящие из трех слоев: одномодовой сердцевины, легированной как активной примесью редкоземельного элемента, так и примесями, формирующими профиль показателя преломления; внутренней кварцевой оболочки; внешней полимерной оболочки с показателем преломления пониженным по сравнению с кварцевым стеклом. Внутренняя кварцевая оболочка имеет типичный размер 0.1-1 мм, что обеспечивает возможность ввода излучения накачки от полупроводниковых источников с мощностью от нескольких единиц до нескольких десятков Ватт. Модельный профиль показателя преломления данных световодов представлен на рис.1.2 а. При распространении по кварцполимерному световоду излучение накачки поглощается активными ионами редкоземельного элемента, вызывая люминесценцию, которая при наличии обратной связи может развиться в лазерную генерацию. При этом область генерации оказывается локализованной в одномодовой сердцевине, то есть ее характерный поперечный размер составляет 5-10 мкм [11,12]. Принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера иллюстрируется на рис.1.2 б. Таким образом, волоконный лазер с накачкой в оболочку может рассматриваться как устройство, позволяющее повысить яркость полупроводникового источника в сотни раз (на другой длине волны).

Внутренняя кварцевая оболочка

Активированная сердцевина

Внешняя полимерная оболочка

Внешняя полимерная Внутренняя оболочка

кварцевая оболочка идномсщовая

■ ^ генерация

Многомодовая накачка

Активированная сердцевина

Рис.1.2. Модельный профиль преломления (а) и иллюстрация преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера (б)

К основным проблемам разработки активных волоконных световодов с двойной оболочкой следует отнести:

1. Выбор легирующей примеси, позволяющей проводить эффективное преобразование излучения существующих полупроводниковых источников накачки в излучение волоконного лазера.

2. Разработку технологии легирования сердцевины активной примесью.

3. Оптимизация химического состава сетки стекла, позволяющего получать низкий уровень оптических потерь при достаточно высоких концентрациях легирующей примеси.

4. Выбор материала и геометрии внутренней оболочки для достижения малых дополнительных оптических потерь излучения накачки и высокой эффективности поглощения накачки активированной сердцевиной.

5. Выбор материала внешней полимерной оболочки.

В реализованных к настоящему времени волоконных лазерах на основе структур с двойной оболочкой в качестве активной примеси

использовались как ионы неодима №3+ [13,14], так и иттербия Yb3+ [15]. Выбор иттербия в качестве активной примеси в настоящей работе был обусловлен следующими соображениями:

а) Энергетическая схема уровней ионов иттербия уникальна (рис.1.3). Помимо основного уровня ^7/2 существует единственный возбужденный уровень ^Р5/2, так что использование переходов между этими уровнями в качестве лазерных является возможным только благодаря сильному штарковскому расщеплению. Отсутствие других энергетических уровней вплоть до ультрафиолетового диапазона означает, что в данной системе следует ожидать отсутствия поглощения из возбужденного состояния, а также явления кооперативной апконверсии. Это позволяет существенно увеличить концентрацию активной примеси по сравнению с такими распространенными легирующими добавками, как неодим и эрбий. Использование световодов с высокой концентрацией активной примеси, в свою очередь позволяет уменьшить длину лазера, а, значит, и уменьшить влияние дополнительных оптических потерь.

б) Спектры поглощения таких световодов, определяемые электронными переходами между расщепленными уровнями, характеризуются наличием сложной полосы поглощения с центрами на 910 и 967 нм и полосой люминесценции, состоящей из узкой линии с центром на 980 нм и полосы с максимумом на 1.04 мкм, простирающейся примерно до 1.2 мкм. Спектр поглощения был измерен в световоде, а спектр люминесценции - в заготовках при возбуждении на 910 нм. В обоих случаях кварцевое стекло было легировано алюминием и германием. Широкая полоса люминесценции позволяет получать лазерную генерацию в области 1.02-1.2 мкм. [16]. В качестве накачки иттербиевых волоконных лазеров могут использоваться хорошо разработанные полупроводниковые источники с длиной волны генерации 900-980 нм. Накачка может быть на 910 нм (квазичетырехуровневая схема) или на 976-980 нм (квазитрехуровневая схема). Время жизни на возбужденном уровне

составляет 0.6-0.7 мс. Небольшая разница между длинами волн накачки и излучения не ограничивает существенным образом эффективность лазерной генерации.

14 12 10 8 6 4 2 0

- 0.3

и

и

- 0.4

41/2

а

*

2р 3и 4 5| 6и 'С 8С 7р 6^ 5 . 4 3.

Г5/2 Н4 |9/2 |4 П5/2 Г0 ^7/2 Г6 Н15/2 ^ 115/2 П

0.25

.0

0.5 х

О со

0.6 ? 0.7

1.0

1.5 2

5

2Р

6 1 7/2

Се3+ Рг3+ Nd3+ Pm3+Sm3+ Еи3+ Gd3+ ТЬ3+ Dy3+ Но3+ Ег3+ Тт3+ Yb3+ Рис.1.3. Схема уровней редкоземельных элементов

5

и

2

р

5

4

5

и

6

3

р

4

4

4

3

н

5

Таким образом, использование ионов иттербия в качестве активной примеси позволяет предполагать возможность создания эффективных, компактных волоконных лазеров с длиной волны генерации в диапазоне

0.98-1.2 мкм. Следует отметить, что в работах, опубликованных в 90-х годах, эффективность преобразования излучения накачки в лазерах на основе световодов с двойной оболочкой составляла 50-70%. При этом результаты оптимизации структуры световода и лазера не публиковались. Кроме того, не исследовалась спектральная зависимость эффективности лазера.

1.3. Оптические волокна, легированные ионами эрбия, как активная среда лазера

Благодаря широкому использованию в оптических усилителях систем связи волокна, легированные ионами эрбия, являются самыми распространенными и широко исследованными. Схема уровней ионов Ег3+ и оптические переходы представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема уровней ионов Ег

.3+

Усиление и генерация в эрбиевых волокнах происходят на переходе 4113/2 - 4115/2 по трехуровневой схеме. Время жизни на метастабильном уровне составляет 10-12 мс в зависимости от состава стекла. Для накачки одномодовых волокон обычно используются полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения 0.98 и 1.48 мкм. В первом случае накачка производится на уровень 4111/2, а во втором - на верхние штарковские подуровни метастабильного уровня 4113/2. Накачка в полосу поглощения в

области 0.8 мкм является малоэффективной из-за поглощения из возбужденного состояния. Кроме того, сечение поглощения на этой длине волны невелико.

В случае одномодовых волокон, легированных ионами эрбия, наибольшее распространение нашли волокна с дополнительным легированием сердцевины оксидом алюминия. При этом достигается более широкий спектр люминесценции по сравнению с германосиликатным и фосфорсиликатным стеклом, а также уменьшается вероятность кластеризации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Садовникова Яна Эдуардовна, 2022 год

ИСТОЧНИК

накачки

ВС [4=1 X = 1200 им

ВС

X = 1133 нм но-волокно Тт-волокно

УЬ-волокно

ВС ^0.3 вс ВС [4=1

к - 1133 нм % ~ 1200 нм л = 1960 им

ВС [4=0,2 = 1960 им

ВС я=-\ л = 1133 нм

Рис.3.9. Схема Тт-Но лазера.

Рис.3.10. Частота следования импульсов (а) и зависимость выходной мощности

от мощности накачки (б)

Для выбранной длины поглотителя 5 см порог генерации составил 700 мВт. В лазере была получена стабильная импульсная генерация. Генерация происходила на длине волны 1.96 мкм, заданной брэгговскими решетками. Спектр генерации представлен на рис.2. Для измерения использовался спектрометр ASP-IR компании Авеста-Проект. Ширина линии излучения составила около 0.5 нм, что близко к разрешению спектрометра.

Исследование динамических характеристик производилось с помощью фотоприемника на основе InGaAs, имеющего рабочий спектральный диапазон 1.2-2.6 мкм и частотный отклик до 15 МГц. На рис.3.10.а представлена характерная последовательность импульсов на выходе лазера. Частота генерации линейно возрастала с увеличением мощности накачки, достигая 80 кГц при максимальной мощности накачки 2.1 Вт. Длительность импульса составила 600 нс.

На рис. 3.10.6 показана зависимость выходной средней мощности от мощности накачки. Дифференциальная эффективность составляет 17%. Максимальная средняя мощность составила 250 мВт. Энергия импульса может быть оценена как 3 мкДж, а пиковая мощность - 5 Вт. Отношение периода следования к длительности импульса составляет около 20, что делает перспективным применение усилителя для повышения энергии импульса и пиковой мощности.

Типичная форма импульса представлена на рисунке 3.11.

0 2 4 6 3 10

Время, мкс

Рис.3.11 .Форма импульса Тт-Но лазера

Можно сравнить энергетические характеристики лазера с характеристиками, полученными с использованием других поглотителей. Так, в последнее время активно исследуются лазеры с затворами на основе пленок графена. Типичными характеристиками таких волоконных лазеров является длительность импульса в несколько микросекунд, а выходная энергия составляет десятки наноджоулей [42]. Поэтому предложенная схема по крайней мере не уступает популярным способам получения режима модуляции добротности.

Таким образом, предложена и реализована новая схема тулиевого волоконного лазера с пассивной модуляцией добротности. Особенностью схемы является использование в качестве затвора отрезка волокна,

легированного ионами гольмия с высокой концентрацией. При этом релаксация значительной части ионов поглотителя осуществляется за счет ион-ионного взаимодействия.

Данная работа была частично поддержана грантом РФФИ 13-0797051 р_поволжье_а.

3.3 Иттербиевый волоконный лазер в режиме модуляции добротности

Тулиевое волокно использовалось в качестве затвора также и для иттербиевого волоконного лазера. Схема лазера была аналогична схеме, представленной на рис.3.3. Резонатор иттербиевого лазера был образован Брэгговскими решетками с резонансом на длине волны 1.125 нм. Поскольку поглощение ионов тулия на этой длине волны существенно меньше по сравнению с 1.6 мкм, длина затвора была увеличена до 20 см. Данный лазер также генерировал в импульсном режиме, однако максимальная средняя мощность составила всего около 100 мВт. Максимальная частота следования импульсов составила 34 кГц. Это позволяет оценить энергию импульса как 3 мкДж. Длительность импульса составляет около 40 нс. Пиковая мощность составила около 70 Вт.

Следует отметить, что данной мощности оказалось достаточно для развития ВКР внутри резонатора лазера. Так выходной спектр состоял из трех компонент на длинах волн 1.08, 1.125 и 1.18 мкм, что иллюстрируется рис.4. Длинноволновая компонента соответствует стоксову сдвигу относительно заданной длины волны генерации.

1000 1100 1200 1300

Дликз БОПНЫ, ММ

Рис.3.13. Выходной спектр иттербиевого импульсного лазера

Появление коротковолновой компоненты связано с совместным действием комбинационного рассеяния и усиления в активной среде лазера.

ГЛАВА 4

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА И ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЭРБИЕВОГО ЦЕЛЬНОВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА

4.1 Приборное исполнение Er-Tm лазера и руководство по эксплуатации прибора.

На основе описанной в главе 3 экспериментальной схемы Ег-Тт лазера был разработан импульсный цельноволоконный эрбиевый лазер с пассивной модуляцией добротности на основе волоконного насыщающегося тулиевого поглотителя в приборном исполнении «ЭрЛ -1604». Прибор полностью идентичен экспериментальной схеме, описанной в диссертационной работе. Лазер работает на длине волны 1604 нм. Модель «ЭрЛ - 1604» - ЭРБИЕВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ 1580 нм Руководство по эксплуатации: Эрбиевый импульсный волоконный лазер («ЭрЛ - 1604») является лазером IV класса.

Лазер излучает до 1,1 Вт средней мощности и до 6 кВт импульсного невидимого лазерного излучения с длиной волны 1604 нм, длительность импульсов составляет ~35 нс, максимальная частота повторения импульсов 4 кГц.

Безопасная эксплуатация лазера является обязанностью заказчика!

1. Общие сведения

Волоконный лазер «ЭрЛ - 1604» представляет собой устройство с волоконным выходом лазерного излучения, работающее от внешнего блока питания. В качестве источника накачки используется

полупроводниковый модуль, излучающий в диапазоне 975-980 нм. Активной средой лазера является оптическое волокно, легированное ионами эрбия с двойной оболочкой. Резонатор лазера образован парой фотоиндуцированных брэгговских решеток. Импульсный режим обеспечивается внедрением Tm- волокна в резонатор лазера.

2. Электропитание

Для питания лазера используется источник постоянного тока с возможностью изменения силы тока в диапазоне от 0 до 7 А, работающий от сети 220 В, энергопотребеление составляет ~ 30 Вт.

3. Меры предосторожности Не вскрывайте корпус прибора.

Не включайте прибор при наличии защитного колпачка на волоконном выходе лазера. Это приведет к его расплавлению и попаданию материала колпачка на оптическое волокно. После снятия колпачка протрите боковую поверхность волокна салфеткой, увлажненной спиртом. Производите включение только после закрепления выходного разъема в держателе, оправе или пр.

Избегайте изгибов выходного кабеля с радиусами менее 50 мм. Не подвергайте оптический кабель механическим нагрузкам. Не используйте для удлинения кабеля соединение через FC/PC розетку. Не допускайте высокого уровня отраженного назад в лазер излучения. Не допускайте физического контакта оптического волокна с чем-либо при наличии излучения.

Не допускайте механических повреждений корпуса лазера.

«ЭрЛ - 1604» является лазером высокой мощности, излучающим на длине волны 1604 нм, и его излучение может повредить глаза и кожу. Луч лазера проходит роговицу и может вызвать невосстановимые повреждения сетчатки. Пользуйтесь специальными защитными очками при работе с лазером.

4. Внешний вид прибора

Прибор смонтирован в пластмассовом корпусе с размерами 260х180х65 мм. Внешний вид прибора показан на следующих фотографиях:

Рис. 4.1. Внешний вид прибора. Вид спереди.

Рис. 4.2. Внешний вид прибора. Вид сзади.

На передней панели расположен волоконный выход (1). На задней панели расположен белый кабель питания (2) и розетка для соединения с блоком питания системы охлаждения(3).

5. Порядок включения.

а) подсоединить кабель питания (2) к источнику постоянного тока (коричневый провод к «+», а голубой к «-»). Другое подключение НЕДОПУСТИМО!

б) подсоединить блок питания системы охлаждения к разъему (3) на задней панели, включить в сеть.

в) снять с волоконного выхода колпачок, установить в держатель

г) убедиться, что на источнике постоянного тока выставлено значение тока 0 А. Включить питание.

д) установить необходимый ток накачки, минимальный рабочий ток 3 А, максимальный ток ограничен значением 6 А

е) на коротком промежутке времени лазер может работать при токе 7А.

6. Порядок выключения.

а) вывести ток накачки до нуля.

б) выключить источник постоянного тока.

в) выключить блок питания системы охлаждения лазера д) закрыть колпачком выход оптического волокна

7. Характеристики лазера

Длина волны излучения - X =1604 нм Ширина линии излучения АХ- не более 0.5 нм Диаметр сердцевины выходного световода 2а= 50 мкм Выходная апертура NA ~ 0.2

Максимальная выходная мощность лазера Р = 1.1 Вт на токе 7А. При прогреве незначительно падает мощность лазера (10-15%). На следующих

графиках представлены зависимость выходной мощности от тока накачки и форма импульса.

н ш

га" с^ ш со га

.а

сЗ

0

1

о

к

I

ч

0 X .0 ш

к к

1

ч ш с^ О

1,2-

1,0-

0,8-

0,6-

0,4-

0,2-

0,0-

ЭрЛ - 1604

Ток накачки лазера, А

Рис. 4.3. Зависимость выходной мощности от тока накачки.

I

н о

го" >

с

го

1,0-

0,8-

0,6-

0,4-

0,2-

0,0

ЭрЛ - 1604

Т-1-1-1-1-1-1

-300 -250 -200 -150

-100

~1

-50

I

50

—I—1—I—1—I—1—I—'—I

100 150 200 250 300

время, нс

2

Рис. 4.4. Форма импульса.

8. Обслуживание и работа с устройством

Не следует приближать торец волокна на расстояние менее 5 мм от образца.

Следует периодически проверять качество выходного светового пучка по визуализирующей карточке (изображение должно быть круглым). В случае ухудшения качества торца, необходимо аккуратно вытянуть часть волокна из держателя и обновить торец, сделав новый скол волокна либо прецизионным волоконным скалывателем, либо ручным.

9. Ответственность изготовителя

Изготовитель не несет ответственности за функционирование лазера в следующих случаях

а) механическое повреждение корпуса лазера

б) механическое повреждение выходного оптического кабеля

в) другие повреждения лазера, связанные с неправильной эксплуатацией и хранением лазера. (например: питание напряжением 380 В, хранение во влажных условиях, транспортировка в перевернутом положении и пр.).

Прибор смонтирован в пластмассовом корпусе с размерами 260х180х65 мм (рис. 4.1. и 4.2.)

4.2. Генерация суперконтинуума в среднем ИК-диапазоне, полученная с использованием импульсного эрбиевого волоконного лазера

Генерация суперконтинуума представляет собой процесс

преобразования накачки в широкополосное излучение. Особый интерес представляет получение суперконтинуума в средней ИК-области для применения в медицине и спектроскопии. Обычно для получения такого суперконтинуума используются волокна на основе специальных материалов (сапфировые, халькогенидные и др.) [43, 44]. Разработка импульсного лазера с высокой выходной энергией и пиковой мощностью позволила использовать для этой цели кварцевые оптические волокна.

Генерации суперконтинуума посвящено большое количество работ. Такой интерес вызван широким применением широкополосного излучения в самых различных областях. Особый интерес представляет получение широкополосного излучения на длинах волн более 2 мкм. Задающим генератором в данной работе [45] является эрбиевый волоконный лазер в режиме модуляции добротности. Длительность импульса эрбиевого лазера составляла 35 нс, энергия импульса - 300 мкДж, пиковая мощность - 6 кВт. В роли нелинейных сред использовались как пассивные волокна, так и волоконные усилители. Среди пассивных световодов наибольшая эффективность нелинейного преобразования излучения достигается в волокнах, легированных германием [46]. Это вызвано низкими потерями в области более 2 мкм и большим, по сравнению со стандартными волокнами, нелинейным коэффициентом. Кроме того, интерес представляют активные среды усилителей, в которых происходит частичное усиление нелинейно преобразованного излучения. Использование тулиевых и гольмиевых волоконных усилителей в качестве среды для генерации суперконтинуума позволило получить более высокую концентрацию мощности на длинах волн более 2 мкм [47]. В волокнах, легированных ионами тулия, при накачке на длине волны 1.59 мкм с концентрацией активной примеси 2 х 1019 см-3 обнаружено усиление суперконтинуума в области 1.8 — 2.0 мкм. Для волокна с концентрацией 2 х 1020 см-3 усиление наблюдалось также в полосе 2.1 — 2.45 мкм, что позволяет предположить наличие оптического перехода 3H4 ^ 3H5 в волокне. Заселение уровня 3H4 может объясняться кооперативными эффектами.

Также в качестве нелинейной среды для генерации суперконтинуума использовались образцы стандартных телекоммуникационных волокон: одномодовые волокна SM332 и LEAF, а также многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления J-fiber G-50-125-250. Параметры волокон приведены в таблице 4.1. Для одномодовых волокон

данные по диаметру поля моды и хроматической дисперсии приведены на длине волны 1.6 мкм, соответствующей длине волны возбуждения.

Тип волокна Диаметр поля моды, мкм Дисперсия, пс/нм км Длина,м Средняя мощность, мВт Доля мощности в области 2-2,4 мкм, %

SM332 11 20 12 480 33,5

LEAF 9.5 7 7 480 29,9

Много-модовое 50* 20 850 38

*диаметр сердцевины

Таблица 4.1. Сравнение параметров использованных волокон и характеристик

суперконтинуума.

Для анализа спектрального состава выходного излучения использовался монохроматор с фотоприемником на основе InGaAs, имеющий рабочий спектральный диапазон 1.2-2.6 мкм и частотный отклик до 15 МГц.

Экспериментально продемонстрирована возможность эффективного преобразования импульсного излучения наносекундной длительности на длине волны 1,59 мкм в суперконтинуум среднего ИК-диапазона с использованием стандартных оптических волокон в работе [48]. Максимальная эффективность преобразования в средний ИК-диапазон составила 38% и была достигнута в многомодовом градиентном волокне. В этом случае спектральная плотность средней мощности в области 2-2.35 мкм составила около 1 мВт/нм, а плотность пиковой мощности - около 10 Вт/нм.

Длина волны, нм

Рис. 4.5. Спектр суперконтинуума.

4.3 Лазерная установка на основе Ег-Тт волоконного лазера.

Основой лазерной установки является двухкоординатный

механический стол 9, 10. В качестве приводов по координатам использованы биполярные шаговые двигатели 8, управление которыми осуществляется посредством контроллера 14, соединенного с персональным компьютером через параллельный порт. В качестве концевых датчиков использованы оптопары с открытым каналом. Датчики используются для установки стола в начальное положение. Точность механической части системы, по оценкам, составила порядка 10 мкм. Размеры рабочей области составляют 80х80 мм.

Рис. 4.6. Структурная схема лазерной установки.

Над рабочим столом на П-образном кронштейне 7 подвешена оптическая часть. Она состоит из жестко закрепленного восьмикратного объектива 1 (окуляр от микроскопа), фокусное расстояние которого составляет порядка 12 см, и подвижного относительно объектива-держателя оптического волокна 4. Держатель изготовлен из двух

керамических пластин 2, в одной из которых сделан паз для волокна. Эта пластина приклеена к железной основе 4. Вторая керамическая пластина прижимается к первой с помощью магнита. Держатель перемещается относительно объектива с помощью микроскопной рейки 5. При изменении расстояния между торцом волокна и объективом, изменяется точка фокусировки: приподнимается или опускается относительно столика механической системы. Высота фокуса (толщина обрабатываемого материала) изменяется в пределах 15 мм. Фокусировку необходимо выполнять вручную на тестовом образце или с помощью бумаги, покрытой тонером от лазерного принтера.

Лазерная часть состоит из Er-Tm лазера 11 и блока питания 12. Для управления лазером был автоматизирован неуправляемый блок питания. На ручку токовой регулировки подвешен шаговый двигатель 13, управляемый через контроллер с компьютера. При этом ток накачки лазерного диода регулируется от 0 до 8 А в зависимости от Z-координаты. Таким образом, можно плавно включать и выключать лазер при переходе от одного обрабатываемого контура к другому.

Вся система управляется из-под операционной системы Linux с помощью программы EMC2, как в ручном режиме, так и в автоматическом по заранее подготовленному файлу в формате *.ngc (G-коды). Собранная установка получилась достаточно простой в использовании и в то же время функциональной.

С помощью этой установки были обработаны различные материалы: бумага, пластик, металл, и пленка. Обработка материалов. Полученные результаты.

Бумага

В качестве маркера и для фокусировки луча используется обычная белая бумага, на которой на лазерном принтере напечатан большой черный прямоугольник. При контакте с лазерным лучом слой порошка краски на поверхности бумаги начинает испаряться, при этом после обработки

излучением бумага в месте реза остается светлой и неповрежденной (рис. 4.7). Если задержать лазерный луч на одном месте более 30 секунд, бумага начинает гореть. Ширина линии реза составляет 90 мкм, ток накачки - 5 А.

Рис. 4.7. Воздействие лазера на бумагу, покрытую тонером.

Рис. 4.8. Воздействие лазера на бумагу, покрытую тонером (увеличение Х100). Глянцевая офсетная бумага

При обработке глянцевой офсетной бумаги наблюдается удаление верхнего слоя черной краски (рис. 4.9), однако, при увеличении видно, что в местах реза остаются точки цветной краски (красные и синие) размером примерно 60 мкм. На фотографии видны места прожига бумаги, при данной мощности лазера они появляются на углах (два прохода луча). Ширина линии реза составляет 200 мкм, ток накачки - 8 А.

Рис. 4.9. Воздействие лазера на глянцевую офсетную (журнальную) бумагу.

Рис. 4.10. Воздействие лазера на глянцевую офсетную (журнальную) бумагу

(увеличение Х100).

При обработке сфокусированным до 50 мкм лучом белого пористого пластика при токе накачки 7 А на любых скоростях остается зона оплавления. Ширина зоны оплавления составляет ~80 мкм. Зона неоднородна по ширине и по глубине, можно предположить, что это связано с пульсациями самого лазера. Пластик, покрытый прозрачной полиэтиленовой пленкой.

После обработки пластика, покрытого пленкой, можно наблюдать картину, идентичную обработанному пористому пластику, при этом на самом полиэтилене практически не остается никаких следов. Небольшая деформация в полиэтилене происходит, предположительно, из-за нагрева пластика.

Рис.4.11. Воздействие лазера на белый пористый пластик.

Рис.4.12. Воздействие лазера на белый пористый пластик (увеличение Х100).

Черный пластик (коробка от CD. Ширинареза 140 мкм. Ток накачки 7А.

Рис.4.13. Воздействие лазера на черный пластик.

Рис.4.14. Воздействие лазера на черный пластик (увеличение Х100).

Пластик с отражающей золотистой поверхностью (прозрачный желтый пластик с нанесенной на него снизу алюминиевой фольгой).

После обработки такого материала на больших скоростях производится удаление верхнего покрытия. В месте реза виден белый пластик (рис. 4.15). Ширина реза составила 90 мкм, по краям - 20 мкм, ток накачки - 6 А.

Рис. 4.15. Воздействие лазера на пластик покрытый пленкой «под золото».

Рис. 4.16. Воздействие лазера на пластик покрытый пленкой «под золото» (увеличение

Х100).

При малых скоростях в месте реза наблюдается обугливание. При увеличении реза до 200 мкм на золотом пластике видно, что линия неоднородна. На рис. 4.18 показан «мостик» (светлая область) между двумя зонами реза (темные области). Это может быть связано как с пульсацией излучения лазера, так и с дискретностью механической системы.

Рис.4.17. Воздействие лазера на пластик, покрытый пленкой «под золото». Ширина реза 200 мкм. Ток накачки 8А.

Рис. 4.18. Увеличенный рез на пластике с пленкой под «золото».

Нержавеющая сталь Х18Н9Т.

При малых скоростях обработки на поверхности нержавеющей стали формируется тонкая пленка окисла, отличающаяся по цвету. Места обработки видны слабо и только при отражении. Ширина области реза составляет 50 мкм.

Пленка РС 3710 (37% - хром, 10% - никель, 53% - кремний)

Рис. 4.19. Воздействие лазера на слой пленки РС 3710.

Рис. 4.20. Воздействие лазера на слой пленки РС 3710 (увеличение Х100).

Такая пленка является стандартным материалом для резисторов в тонкопленочной технологии.

Толщина пленки составляла 0,1 мкм. При любых скоростях пленка прорезалась до подложки (ситалл) (рис. 4.20). Ширина реза составляла ~ 32 мкм, ореол ~ 140 мкм, ток накачки - 8 А. В результате обработки края приобрели небольшие наплавления.

Заключение

Проанализировав полученные данные, можно сделать следующие выводы о применении Ег-Тт лазера для обработки материалов:

- при заданных характеристиках лазерного излучения, в частности, мощности, наиболее удачным является его применение для гравировки пластика, нанесения маркеров и шрих-кодов;

- мощности лазера также хватает для проведения операций прецизионной подгонки тонкопленочных резисторов;

- для обработки металлов лазерную мощность необходимо увеличить, так как она является недостаточной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы и основные результаты

1. Впервые реализован в приборном исполнении импульсный цельноволоконный эрбиевый лазер с пассивной модуляцией добротности на основе волоконного насыщающегося тулиевого поглотителя (концентрация ионов Tm3+ составляет 2*1020 см-3). Получен патент «Эрбиевый волоконный лазер с самомодуляцией добротности / Курков А.С., Маракулин А.В., Новиков С.Г., Садовникова Я.Э., Шолохов Е.М. Заявка: 2012122048. Дата подачи заявки: 2012.10.10. Решение о выдаче патента от 28.05.2012.»

2. Без поглощающего легированного Tm3+ волокна наблюдается непрерывная генерация на длине волны 1,58 мкм с максимальной мощностью 1 Вт при мощности накачки до 10 Вт. При установке волокна, легированного Tm3+, получается импульсная генерация. Несмотря на то, что эффективность генерации не очень высока (12%), вследствие низкой частоты (4,5 кГц) повторения импульсов и их короткой длительности (35 нс), отдельный импульс обладает высокой энергией - 0,3 мДж и пиковой мощностью - 6 кВт.

3. Накачка осуществлялась полупроводниковым лазером с длиной волны 0,975 мкм и ее мощность была увеличена до 10 Вт в сравнении с предыдущими экспериментальными схемами, где накачка производилась в сердцевину волокна и была ограничена значением 220 мВт. Увеличение мощности накачки осуществилось за счет того, что она производилась в оболочку активного эрбиевого волокна с диаметром сердцевины, увеличенным до 20 мкм. Также выявлено, что использование волокон с увеличенным диаметром сердцевины позволяет использовать брэгговские решетки, записанные на многомодовых волокнах;

4. Выявлено, что использование высококонцентрированных тулиевых волокон позволяет получить импульсный режим в иттербиевых лазерах. Реализована схема импульсного волоконного Yb-Tm лазера. Пиковая

мощность составила всего около 70 Вт, но данной мощности оказалось достаточно для развития ВКР внутри резонатора лазера. Так выходной спектр состоял из трех компонент на длинах волн 1.08, 1.125 и 1.18 мкм.

5. Выявлено, что использование высококонцентрированных гольмиевых волокон позволяет получить импульсный режим в тулиевых лазерах. Реализована схема импульсного волоконного Тт-Но лазера с длиной волны генерации 1960 нм.

6. Проведен сравнительный анализ зависимости импульсных характеристик выходного лазерного излучения от длины насыщающегося поглотителя и концентрации ионов в нем. Выявлено, что длительность импульса уменьшается, а мощность излучения увеличивается, при сокращении длины поглотителя и увеличении концентрации ионов в нем

7. Продемонстрирована применимость Ег-Тт лазера для некоторых технологических операций, связанных с травлением материалов на микроуровне, а также эффективность использования лазера в качестве задающего генератора для получения суперконтинуума в гольмиевых, халькогенидных и кристаллических волокнах. Получена генерация суперконтинуума в диапазоне 1500-2400 нм

Благодарности

Сборка схем волоконных лазеров выполнялась в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН под руководством д.ф.-м.н. А.С. Куркова

которому хочется выразить отдельную благодарность за выбор научного направления и постоянную поддержку. В работе использовались Брэгговские внутриволоконные решетки, изготовленные сотрудниками НЦВО РАН О.И. Медведковым и С.А. Васильевым, а также активное волокно, изготовленное

A.В. Маракулиным и Л.А. Манишиной в Российском Федеральном ядерном центре ВНИИТФ г. Снежинск, Челябинская область.

Автор выражает отдельную благодарность за помощь и поддержку заведующему лаборатории, д.ф.-м.н. Цветкову В.Б., без взаимодействия с которым эта работа не была бы проделана.

Автор считает своим долгом поблагодарить сотрудников лаборатории (актуальный список на момент выполнения диссертации) активных сред твердотельных лазеров ИОФ РАН: Ю.Н. Пыркова, В.Ф. Серегина, С.Я. Русанова, Е.М. Шолохова, А.А. Вебера, А.Д. Ляшедько, А.И. Трикшева,

B.А. Камынина С.А. Филатову за плодотворные обсуждения и помощь в работе.

Отдельно хотелось бы выразить благодарность своему научному руководителю, д.т.н., проф. Кондратенко В.С. за постоянную поддержку и неоценимую помощь в работе.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Патент: «Эрбиевый волоконный лазер с самомодуляцией добротности / Курков А.С., Маракулин А.В., Новиков С.Г., Садовникова Я.Э., Шолохов Е.М. Заявка: 2012122048. Дата подачи заявки: 2012.10.10. Решение о выдаче патента от 28.05.2012.»

1. All fiber Er-Tm Q-switched laser. A.S. Kurkov, Ya.E. Sadovnikova, A.V. Marakulin, and E.M. Sholokhov. Laser Physics Letters. 7, p. 795-797. 2010.

2. Yb-Laser Based on the LMA Active Fiber and Multimode Bragg Grating. A.S. Kurkov, Ya.E. Sadovnikova, E.M. Sholokhov, I.O.Medvedkov. Laser Physics. 21, p. 287-289. 2011.

3. All-fiber supercontinuum source in the range of 1550-2400 nm based on telecommunication multimode fiber. A.S. Kurkov, E. M. Sholokhov, Ya.E. Sadovnikova. Laser Physics Letters. 8, p. 598-600. 2011.

4. All-fiber Q-switched Er:Tm laser. A.S.Kurkov, Ya.E.Sadovnikova, E.M.Sholokhov, A.V.Marakulin. BOOK OFABSTRACTS. CLEO/Europe, p.CJ.P.11. 2011.

5. All-fiber Q-switched Er:Tm laser. A.S.Kurkov, Ya.E.Sadovnikova, E.M.Sholokhov, A.V.Marakulin. BOOK OFABSTRACTS. 20th International Laser PhysicsWorkshop (LPHYS'11), p.8.2.4. 2011.

6. Supercontinuum generation in thulium-doped fibers. A.S. Kurkov, V.A. Kamynin, V.B. Tsvetkov, Ya.E. Sadovnikova, A.V. Marakulin, L.A. Minashina. Quantum Electronics. 2012, 42 (9) , p. 778-780. 2012.

7. Composite laser fiber with Yb, Er co-doped phosphate glass core and silica cladding. B.I. Denker, B.I. Galagan, V.A. Kamynin, A.S. Kurkov, Ya.E. Sadovnikova., S.L. Semenov, S.E. Sverchkov, V.V. Velmiskin and E.M. Dianov. Laser Phys. Lett. . 2013.

8. Q-switching of a thulium-doped fibre laser using a holmium-doped fibre saturable absorber. Ya E Sadovnikova, V A Kamynin, A S Kurkov, O I Medvedkov, A V Marakulin, L A Minashina. QUANTUM ELECTRON. 2014, 44 (1), 4-6.

9. «Иттербиевый волоконный лазер с многомодовой брэгговской решеткой». Я.Э.Садовникова, А.С. Курков. Материалы 9-ой Всероссийской конференции c элементами молодежной научной школы, с. 125. Саранск. 2010.

10. Оптимизация Er-Tm волоконного лазера / Я.Э. Садовникова, В.С. Кондратенко, Прикладная физика, 2017, №2, стр. 93-95

11. Импульсный цельноволоконный Er-Tm лазер. Я.Э. Садовникова, Е.М. Шолохов, А.С. Курков. Материалы 10-ой Всероссийской конференции «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: Физические свойства и применение» (ВНКШ-2011). 2011.

12. Модуляция добротности с использованием затвора на волокне, легированном ионами Tm3+. Я.Э. Садовникова, В.А. Камынин, А.С. Курков. Сборник трудов. Российский семинар по волоконным лазерам, сборник тезисов, с. 131-132. 2012.

13. Импульсный волоконный Er-Tm лазер в приборном исполнении. Я.Э. Садовникова, В.А. Камынин, А.С. Курков. Материалы 11-ой Всероссийской (с международным участием) научной конференции-школы "Матриалы нано-, микро- оптоэлектроники и волоконной оптики: физическиеи свойства и применение" (ВНКШ-2012), с.134. 2012.

14. Supercontinuum generation over 2pm. Ya.E.Sadovnikova, V.A. Kamynin, A.S.Kurkov, V.B. Tsvetkov. Book of abstracts. WE-P04-FBL-01. ALT'12, 2012.

15. All-fiber Tm-Ho Q-swiched laser. Ya.E.Sadovnikova, V.A. Kamynin, A.S.Kurkov, L.A. Minashina. BOOK OFABSTRACTS. ICONO/LAT international conference, p.70. 2013.

16. Composite laser fiber with Yb, Er co-doped phosphate glass core and silica cladding. B.I. Denker, B.I. Galagan, V.A. Kamynin, A.S. Kurkov, Ya.E. Sadovnikova., S.L. Semenov, S.E. Sverchkov, V.V. Velmiskin and E.M. Dianov. BOOK OF ABSTRACTS. The 21th annual international conference on advanced laser technologies ALT'13, p.158. 2013.

17. МОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ ТУЛИЕВОГО ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОЛЬМИЕВОГО ВОЛОКОННОГО ЗАТВОРА, Ya E Sadovnikova, V A Kamynin, A S Kurkov, O I Medvedkov, A V Marakulin, L A Minashina. Материалы.11-я Всероссийская (с международным участием) научная конференция-школа "Матриалы нано-, микро- оптоэлектроники и волоконной оптики: физическиеи свойства и применение" (ВНКШ-2014), с.72.

18. ON SPECTRAL PROPERTIES OF BI-DOPED SILICA OXIDE GLASS SYSTEM, Евразийский союз ученых» (№ 8 (53), стр. 42 / 2018), И.Л. Шульман, Я.Э. Садовникова.

19. Rapid method for evaluating the efficiency of excitation energy transfer between ytterbium and erbium ions in an active fiber preform, Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2015, Volume 51, Issue 6, pp 582-586, A.S. Smirnov, K.P. Latkin, Ya E Sadovnikova, E.G. Leksina, A.S. Kurkov.

20. Садовникова Я.Э., Кондратенко В.С. «Эрбиевый импульсный волоконный лазер в приборном исполнении». Журнал «Приборы» № 10, 2018 год, стр. 1-7.

21. Расчет однослойных диэлектрических покрытий для просветления в заданном интервале углов падения, Прикладная физика, 2021, № 6, И.Л. Шульман, Я.Э. Садовникова, А.Н. Кобыш, А.Ю. Рогов.

22. Садовникова Я.Э. «Экспериментальная установка для лазерного травления и обработки материалов на основе Er-Tm волоконного лазера». Журнал «Приборы» № 4, 2022 год.

23. Садовникова Я.Э., Кондратенко В.С. «Сравнительный анализ зависимостей выходных характеристик излучения экспериментальных схем цельноволоконных лазеров с пассивной модуляцией добротности от параметров насыщающихся поглотителей». Сборник трудов по материалам конференции «Перспективные материалы и технологии» («ПМТ - 2022»), 2022 г.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Григорук В. I., Коротков П. А., Фелшський Г. С. Нелшшш та лазерш процеси в оптичних волокнах. — К.: Видавничо-полiграфiчний центр «Кшвський ушверситет», 2008. — 576 с.

2 Gan F. Photonic glasses. — World Scientific, 2006. — 447 p.

3 Agrawal G. P. Applications of nonlinear fiber optics. — 2nd ed. — Academic Press, 2008. — Vol. 10. — 508 p. — (Optics and Photonis Series).

4 R.Kashyap, J.R.Armitage, R.Wyatt, S.T.Davey, and D.L.Williams, "All-fiber narrowband reflection gratings at 1500 nm", Electronics Letters, vol.26, p.730 (1990).

5 G.A.Ball, W.W.Morey, J.P.Waters, "Nd3+ fiber laser utilizing intracore Bragg reflectors", Electronics Letters, vol.26, p.1829 (1990).

6 G.A.Ball, W.H.Glenn, W.W.Morey, and P.K.Cheo, "Modelling of short, single-frequency, fiber lasers in high-gain fiber", IEEE Photonics Technology Letters, vol.5, p.649 (1993).

7 G.A.Ball and W.W.Morey "Continuously tunable single-mode erbium fibre laser", Opt. Lett., vol. 17, p. 420 (1992).

8 J.L.Zyskind, V.Mizrahi, D.J.DiGiovanny and J.W Sulhoff.: "Short single frequency erbium-doped fibre laser", Electron. Lett., vol. 28, pp. 1385 (1992).

9 W.H.Loh, L.Dong and J.E.Caplen: "Single-sided output Sn/Er/Yb distributed feedback fibre laser", Appl. Phys. Lett., vol. 69, p. 2151 (1996).

10 L.Dong, W.H.Loh, J.E.Caplen, K.Hsu, J.D.Minelli, and L.Reekie. "Efficient single-frequency fiber lasers with novel photosensitive Er/Yb optical fibers", Optics Letters, vol. 22, p.694 (1997).

11 E.Snitzer, H.Po, F.Hakimi, R.Tumminelli, B.C.McCollum. "Double-clad, offset core Nd fiber laser." Proc. Conf. Optical Fiber Sensors, Postdeadline paper PD5 (1988).

12 V.P.Gapontsev, I.E.Samartsev, A.A.Zayat, and R.R.Loryan, "Laser diode pumped Yb-doped single-mode tunable laser", Adv. Solid-State Lasers, Hilton Head, NC, Techn. Dig., pap. WC1-1, p.214 (1991).

13 H.Zellmer, A. Tunnermann, H. Welling, V. Reichel. "Double-clad fiber laser with 30 W output power." Proc. Optical Amplifiers and Their Applications. OSA Trends Opt Photon Ser, vol. 16, p.137 (1997).

14 Е.М.Дианов, А.В.Белов, И.А.Буфетов, В.Н.Протопопов, А.Н.Гурьянов, Д.Д.Гусовский, С.В.Кобись. "Мощный неодимовый одномодовый волоконный лазер", Квантовая электроника, том.24, с.3 (1997).

15 H.M.Pask, R.J.Carman, D.C.Hanna, A.C.Tropper, C.J.Mackechnie, P.R.Barber, and J.M.Dawes. " Ytterbium-doped silica fiber lasers: versalite sources for the 1-1.2 |m region" IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. vol.1, p.1 (1995).

16 М.А.Ельяшевич. "Спектры редких земель", ГТТИ, М. 1953, с.404-425.

17 E.Delevaque, T.Georges, M.Monerie, P.Lamouler, and J.- F.Bayon. "Modeling of pair-induced quenching in erbium-doped silicate fibers", .IEEE Photonics Techn. Lett., vol.5, p.73 (1993).

18 P.Myslinski, D.Nguen, and J.Chrostowski. "Effects of concentration on the performance of erbium-doped fiber amplifiers" IEEE J of Lightwave Communication, vol.15, p. 112 (1997)

19 N.Kurukitkoson, S.K.Turitsyn, A.S.Kurkov, O.N.Egorova, E.M.Dianov. "Efficiency spectrum comparison between Germanium and Phosphorus based Raman fiber converters", Optical Amplifiers and Their Applications, Vancouver, Canada, 14-17 July, Techn. Digest, p. OMC4, 2002

20 Gapontsev V.P., Samartsev I.E., Zayats A.A., Loryan R.R.. Proc. of Conf. Adv. Solid State Lasers, WC1-1, 214 (1991).

21 Курков А.С., Дианов Е.М.. Квантовая Электроника, 34, 881, (2004)

22 Курков А.С., Карпов В.И., Лаптев А.Ю., Медведков О.И., Дианов Е.М., Гурьянов А.Н., Васильев С.А., Парамонов В.М., Протопопов В.Н.,

Умников А.А., Вечканов Н.И., Артюшенко В.Г., Фрам Ю. Квантовая электроника, 27, 239 (1999).

23 Мелькумов М.А., Буфетов И.А., Кравцов К.С., Шубин A^., Дианов Е.М., Квантовая электроника, 34, 843 (2004)

24 Vienne G.G., Caplen J.E., Dong L., Minelly J.D., Nilsson J., Payne D.N. J. of Lightwave Techn., 16, 1990, (1998)

25 А. С. Курков, В. М. Парамонов, М. В. Яшков, С. Е. Гончаров, И. Д. Залевский, "Многомодовый волоконный эрбиевый лазер с накачкой в оболочку", Квантовая электроника, 37:4 (2007), 343-344 [Quantum Electron., 37:4 (2007), 343-344]

26 Ainslie B.J., IEEE Photon.Techn.Lett., v.2, 559, (1990)

27 Blixt P.M., Nilsson J., Carlnas T., Jaskorzynska B., IEEE Photon.Techn.Lett., v.3, 996, (1991)

28 P.M., Nilsson J., Carlnas T., Jaskorzynska B., IEEE Photon.Techn.Lett., v.3, 996, (1991)

29 Galvanauskas A., Fermann M. E., Optics Letters, v. 19, 1043 (1994)

30 Wen-hua Cao, Wai P. K. A., Optics Letters, v. 28, 284 (2003)

31 (Patent US 2006/0007965 A1, Tankovich et al.)

32 (T.-Y. Tsai, Y.-C. Fang, and S.-H. Hung, Opt. Express 18, 10049 (2010))

33 H.W.Gandy, R.J.Ginther, and J.R.Weller. "Stimulated emission of Tm3+ radiation in silicate glass", J. Appl. Phys., vol.38, p.3030 (1967).

34 D.C.Hanna, I.M.Jauncey, R.M.Percival, I.R.Perry, R.G.Smart, P.J.Suni, J.E.Townsend, A.C.Tropper. "Continuos-wave oscillation of a monomode thulium-doped fibre laser", Electron. Letts., vol.24, p.1222 (1988).

35 D.C.Hanna, I.R.Perry, J.R.Lincoln, J.E.Townsend. "A 1-Watt thulium-doped cw fibre laser operating at 2 |m", Optics Comm., vol. 80 (1990).

36 S.D.Jackson, T.A.King "High-power diode-cladding-pumped Tm-doped silica fiber laser." Optics Lett., vol.23, p.1462 (1998).

37 R.A.Hayward, W.A.Clarkson, P.W.Turner, J.Nilsson, A.B.Grudinin, and D.C.Hanna. "High-power and tunable operation of a diode-bar-pumped double-clad Tm-doped silica fibre laser at 2 |m." Conference Digest of Conference on Lasers and Electro-Optics Europe 10-15 September Nice, France, p.171 (2000).

38. T.Kasamatsu and Y.Yano. "Tm-doped fiber amplifiers for S-band" Technical Digest of Conf. on Optical Amplifiers and Their Applications, p.OWB1-1, 1-4 July, Stresa, Italy (2001).

39. E.Zhang, S.Wilson, D.Crippa, R.Di Miro and A.Maroney. "Tm-doped fiber amplifiers in the 1480nm region with 980nm/1550nm pumps" Technical Digest of Conf. on Optical Amplifiers and Their Applications, p.OWB1-2, 1-4 July, Stresa, Italy (2001).

40 Кравцов К.С., Буфетов И.А., Медведков О.И., Дианов Е.М. Яшков М.В., Гурьянов А.Н., Квант. электроника, 35, 586 (2005).

41 Курков А.С., Шолохов Е.М., Маракулин А.В., Минашина Л.А., Квант. электроника, 40, 386 (2010).

42 Ismail M.A., Ahmad F., Harun S.W., Arof H. and Ahmad H. Laser Phys. Letters, 10 025102 (2013)

43 G. Qin, X. Yan, C. Kito, M. Liao, C. Chaudhari, T. Suzuki, Y. Ohishi. Opt. Lett. 34, 2015 (2009).

44 R. Buczynski, H.T. Bookey, D. Pysz, R. Stepien, I. Kujawa, J.E. McCarthy, A.J. Waddie, A.K. Kar, M.R. Taghizadeh. Laser Phys. Lett., 7, 666 (2010).

45 All-fiber supercontinuum source in the range of 1550-2400 nm based on telecommunication multimode fiber. A.S. Kurkov, E. M. Sholokhov, Ya.E. Sadovnikova. Laser Physics Letters. 8, p. 598-600. 2011.

46 SUPERCONTINUUM GENERATION UP TO 2.7 ^M IN THE GERMANATE-GLASS-CORE AND SILICA-GLASS-CLADDING FIBER Kamynin V.A., Kurkov A.S., Mashinsky V.M. Laser Physics Letters. 2012. Т. 9. № 3. С. 219-222.

47 Supercontinuum generation in thulium-doped fibers. A.S. Kurkov, V.A. Kamynin, V.B. Tsvetkov, Ya.E. Sadovnikova, A.V. Marakulin, L.A. Minashina. Quantum Electronics. 2012, 42 (9) , p. 778-780. 2012.

48 A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, and Ya.E. Sadovnikova, . Laser Physics Letters, 8, 598 (2011).

* Эрбиевый волоконный лазер с самомодуляцией добротности / Курков А.С., Маракулин А.В., Новиков С.Г., Садовникова Я.Э., Шолохов Е.М. Заявка: 2012122048. Дата подачи заявки: 2012.10.10. Решение о выдаче патента от 28.05.2012.