Непрерывный волоконный тербиевый лазер, излучающий на длине волны ~5.25 мкм

Непрерывный волоконный тербиевый лазер, излучающий на длине волны ~5.25 мкм (пресс-релиз в формате .pdf)

Пресс-релиз публикации: "Continuous Tb-doped fiber laser emitting at ~5.25 µm" B.I. Denker, B.I. Galagan, V.V. Koltashev, V.G. Plotnichenko, G.E.Snopatin, M.V. Sukhanov, S.E. Sverchkov, A.P. Velmuzhov, Optics and Laser Technology, 154 (2022), 108355. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108355

Создание работающих при комнатной температуре твердотельных (объёмных и волоконных) лазерных и люминесцентных источников излучения среднего инфракрасного диапазона (4-10 мкм), в котором находятся полосы поглощения многих практически важных химических соединений, является важной научно-технической задачей. Такие источники необходимы для дистанционного мониторинга атмосферы и производственных процессов, медицинских и других применений. Доступные на сегодняшний день твердотельные лазеры на легированных Fe²⁺ кристаллах A(II)B(VI) перекрывают спектральную область от 4 до 6,8 мкм, но работают, как правило, только при криогенном охлаждении. Также в некоторых случаях оказываются востребованными квантово-каскадные полупроводниковые и ВКР лазеры, способные излучать в большей части среднего инфракрасного диапазона. В то же время для многих применений наиболее удобными являются работающие при комнатной температуре твердотельные, особенно — волоконные, лазеры. Однако доступные волоконные лазеры (на фторидных стёклах) не достигают и длины волны 4 мкм.
Проблема создания работающих при комнатной температуре более длинноволновых твердотельных лазеров в течение последних десятилетий привлекает большое внимание исследовательских групп во всем мире. Перспективными материалами для них считаются легированные редкоземельными ионами (РЗИ) халькогенидные стёкла и кристаллы.
Достоинством стёкол является возможность изготовления из них волоконных световодов. Однако, получить лазерную генерацию на халькогенидных стёклах в среднем ИК диапазоне долгое время не удавалось. Ситуация начала меняться в 2020 — 2021 годы, когда в результате работ с участием авторов настоящей статьи впервые были достигнуты пороги лазерной генерации в 5 - 6 мкм спектральном диапазоне на ряде новых электронных переходов РЗИ: Ce³⁺, Pr³⁺, Tb³⁺ в объёмных образцах из особо чистых селенидных стёкол.
В настоящей статье сообщается о создании первого в мире непрерывного волоконного лазера на активированном тербием халькогенидном стекле. На волокне длиной ~ 40 см при накачке ~ 2 мкм излучением тулиевого волоконного лазера при комнатной температуре было получено лазерное излучение с выходной мощностью ~ 40 мВт в спектральной полосе 5.20 — 5.28 мкм. Полученные результаты были достигнуты благодаря как непрерывному прогрессу в технологии синтеза высокочистых стёкол основы и изготовления из них оптических волокон, так и новому уровню знаний о процессах трансформации энергии электронного возбуждения в легированных редкоземельными ионами халькогенидных стеклах, постоянному совершенствованию техники проведения экспериментов в средней инфракрасной области.
Работа является результатом кооперации учёных из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва (ИОФ РАН) и Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, Нижний Новгород (ИХВВ РАН). Авторами из ИОФ РАН была поставлена задача, проведены генерационные и спектроскопические исследования легированных Tb3+ халькогенидных волокон, изготовленных коллегами из ИХВВ РАН, также авторами из ИОФ РАН была выполнена интерпретация полученных результатов.
Работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ 18-29-20079 мк.

Схема уровней Tb³⁺ [1] 

Внешний вид образца селенидного стекла (фото С.Е. Сверчкова)

Спектры поглощения и люминесценции тербия в селенидном стекле [1] 

Зависимость выходной мощности от мощности  накачки волоконного тербиевого лазера [1]