ИОФ РАН
01.11.2023
Свойства световодов на основе кварцевого стекла, легированных до высоких концентраций иттербием. Пресс-релиз в формате .PDF
Презентация публикации на семинаре "Актуальная физика" № 1 от 07.12.2022.
Пресс-релиз публикации: K.K. Bobkov, E.K. Mikhailov, T.S. Zaushitsyna, A.A. Rybaltovsky, S.S. Aleshkina, M.A. Melkumov, M.M. Bubnov, D.S. Lipatov, M.V. Yashkov, A.N. Abramov, A.A. Umnikov, A.N. Guryanov, M.E. Likhachev, “Properties of silica based optical fibers doped with an ultra-high ytterbium concentration”, Journal of Lightwave Technology, 40(2022), 6230-6239. DOI: 10.1109/JLT.2022.3191862
Высоколегированные Yb2O3 световоды на основе кварцевого стекла представляют большой интерес в области разработки одночастотных волоконных лазеров, лазеров с синхронизацией мод и высокой частотой повторения, а также импульсных лазеров с высокой пиковой мощностью. Для всех этих применений требуется короткая длина активного световода и следовательно, высокая концентрация активной добавки. Исследование факторов, ограничивающих максимальную концентрацию оксида иттербия в кварцевых стеклах представляет так же и фундаментальный интерес. Действительно, до сих пор лишь серые потери (в том числе наведенные в процессе работы лазера) отмечались как фактор, способный существенно влиять на эффективность генерации в таких световодах. Цель настоящей работы состояла в том, чтобы выявить технологические и физико-химические факторы, препятствующие увеличению содержания Yb2O3 в серцевине световодов на основе кварцевого стекла. В рамках этой работы были исследованы световоды на основе наиболее распространенных стеклянных матриц – фосфоросиликатной, алюмосиликатной и фосфороалюмосиликатной. Для всех легирующих добавок были изготовлены серии световодов с рекордно высокой концентрацией оксида иттербия и исследованы их свойства.
Установлено, что при соответствующих уровнях солегирования оксидами фосфора и алюминия уровень серых потерь и наведенных потерь вследствие фотопотемнения не может существенно ограничивать эффективность работы световодов с накачкой по сердцевине. Впервые показано, что другой фактор, а именно концентрационное тушение люминесценции, может приводить к практически полной потере активных свойств иттербиевыми световодами. Так в случае алюмосиликатных световодов была изготовлена и исследована серия световодов с различной концентрацией оксида иттербия и показано, что с ростом концентрации происходит синхронное уменьшение эффективности преобразования накачки в сигнал, квантового выхода люминесценции и времени жизни ионов иттербия (см. Рис.1).
Изготовлены фосфороалюмосиликатной световоды с предельно высокой концентрацией оксида иттербия, при которой еще не наблюдается существенного снижения эффективности. На основе этих световодов продемонстрированы высокоэффективные иттербиевые усилители с рекордно короткой длиной - менее 4 см при накачке по сердцевине (см. Рис.2).
Так же обнаружено, что для иттербиевых световодов на основе фосфоросиликатной стеклянной матрицы эффект концентрационного тушения люминесценции не наблюдается. Так эффективность, квантовый выход и время жизни остаются неизменными в таких световодах вплоть до максимальной концентрации ионов иттербия 2.5 мол.% Yb2O3, которую возможно ввести с помощью имеющейся технологии изготовления заготовок световодов методом модифицированного осаждения из газовой фазы.
Работа проводилась сотрудниками Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (К.К. Бобков, Е.К. Михайлов, Т.С. Заушицина, С.С, Алешкина, М.А. Мелькумов, М.М. Бубнов, М.Е. Лихачев) совместно с сотрудниками Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН (Д.С. Липатов, М.В. Яшков, А.А. Абрамов, А.Н. Гурьянов, А.А. Умников). В рамках данной работы в ИХВВ РАН были изготовлены образцы высоколегированных иттерибевых световодов, а в ИОФ РАН проводились исследования их активных свойств. Так же важный вклад в обсуждение результатов внёс сотрудник Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, А.А. Рыбалтовский.
Высоколегированные Yb2O3 световоды на основе кварцевого стекла представляют большой интерес в области разработки одночастотных волоконных лазеров, лазеров с синхронизацией мод и высокой частотой повторения, а также импульсных лазеров с высокой пиковой мощностью. Для всех этих применений требуется короткая длина активного световода и следовательно, высокая концентрация активной добавки. Исследование факторов, ограничивающих максимальную концентрацию оксида иттербия в кварцевых стеклах представляет так же и фундаментальный интерес. Действительно, до сих пор лишь серые потери (в том числе наведенные в процессе работы лазера) отмечались как фактор, способный существенно влиять на эффективность генерации в таких световодах. Цель настоящей работы состояла в том, чтобы выявить технологические и физико-химические факторы, препятствующие увеличению содержания Yb2O3 в серцевине световодов на основе кварцевого стекла. В рамках этой работы были исследованы световоды на основе наиболее распространенных стеклянных матриц – фосфоросиликатной, алюмосиликатной и фосфороалюмосиликатной. Для всех легирующих добавок были изготовлены серии световодов с рекордно высокой концентрацией оксида иттербия и исследованы их свойства.
Установлено, что при соответствующих уровнях солегирования оксидами фосфора и алюминия уровень серых потерь и наведенных потерь вследствие фотопотемнения не может существенно ограничивать эффективность работы световодов с накачкой по сердцевине. Впервые показано, что другой фактор, а именно концентрационное тушение люминесценции, может приводить к практически полной потере активных свойств иттербиевыми световодами. Так в случае алюмосиликатных световодов была изготовлена и исследована серия световодов с различной концентрацией оксида иттербия и показано, что с ростом концентрации происходит синхронное уменьшение эффективности преобразования накачки в сигнал, квантового выхода люминесценции и времени жизни ионов иттербия (см. Рис.1).
Изготовлены фосфороалюмосиликатной световоды с предельно высокой концентрацией оксида иттербия, при которой еще не наблюдается существенного снижения эффективности. На основе этих световодов продемонстрированы высокоэффективные иттербиевые усилители с рекордно короткой длиной - менее 4 см при накачке по сердцевине (см. Рис.2).
Так же обнаружено, что для иттербиевых световодов на основе фосфоросиликатной стеклянной матрицы эффект концентрационного тушения люминесценции не наблюдается. Так эффективность, квантовый выход и время жизни остаются неизменными в таких световодах вплоть до максимальной концентрации ионов иттербия 2.5 мол.% Yb2O3, которую возможно ввести с помощью имеющейся технологии изготовления заготовок световодов методом модифицированного осаждения из газовой фазы.
Работа проводилась сотрудниками Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (К.К. Бобков, Е.К. Михайлов, Т.С. Заушицина, С.С, Алешкина, М.А. Мелькумов, М.М. Бубнов, М.Е. Лихачев) совместно с сотрудниками Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН (Д.С. Липатов, М.В. Яшков, А.А. Абрамов, А.Н. Гурьянов, А.А. Умников). В рамках данной работы в ИХВВ РАН были изготовлены образцы высоколегированных иттерибевых световодов, а в ИОФ РАН проводились исследования их активных свойств. Так же важный вклад в обсуждение результатов внёс сотрудник Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, А.А. Рыбалтовский.
Рис. 1. Зависимость эффективности преобразования накачки (974,5 нм) в сигнал (1030 нм) в иттербиевом усилителе на основе алюмосиликатного световода с попутной накачкой по сердцевине (PCE), квантового выхода люминесценции (Quantum yield) и времени жизни спада интенсивности люминесценции до уровня 1/e. [K.K. Bobkov et al, , Journal of Lightwave Technology, 40(2022), 6230. DOI: 10.1109/JLT.2022.3191862]
Рис.2. Зависимость мощности накачки и сигнала от длины образца алюмофосфоросиликатного волокна, легированного предельно высокой концентрацией иттербия, при которой еще сохраняется высокая эффективность преобразования накачки в сигнал (вставка – зависимость выходной мощности сигнала от мощности накачки для оптимальной длины волокна) [K.K. Bobkov et al, , Journal of Lightwave Technology, 40(2022), 6230. DOI: 10.1109/JLT.2022.3191862]
Пресс-релиз подготовил кандидат физико-математических наук М.Е. Лихачев — зав. лабораторией Научного центра волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН ИОФ РАН.
Пресс-релиз подготовил кандидат физико-математических наук М.Е. Лихачев — зав. лабораторией Научного центра волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН ИОФ РАН.