Прорыв! Национальный университет оборонных технологий достиг рекордного диапазона длин волн для волоконного лазера непрерывного действия 

Прорыв! Национальный университет оборонных технологий достиг рекордного диапазона длин волн для волоконного лазера непрерывного действия

Недавно исследовательская группа под руководством профессора Ван Цзэфэна из Национального университета оборонных технологий (NUDT) добилась значительного прогресса в области среднеинфракрасных газонаполненных волоконных лазеров с полой сердцевиной. Заполнив антирезонансное волокно с полой сердцевиной смесью двух активных газов — бромоводорода (HBr) и монооксида углерода (CO) — и применив двухволновое волоконное лазерное накачивание, ученые получили перестраиваемое лазерное излучение в диапазоне 3,808–4,824 мкм. Таким образом, общая ширина охваченного диапазона длин волн составила 1016 нм.

Это самый широкий диапазон длин волн, когда-либо зарегистрированный для волоконного лазера непрерывного действия (CW). Данное исследование предлагает новый подход к преодолению спектральных ограничений, присущих активным средам на основе одного газа, и открывает путь к созданию широкополосных перестраиваемых источников среднеинфракрасного излучения.

Инновационное исследование

Среднеинфракрасные волоконные лазеры имеют огромное значение для таких областей, как спектроскопия, экологический мониторинг и дистанционное зондирование. Однако их развитие сдерживалось не только потерями при передаче сигнала в оптическом волокне, но и внутренними спектральными характеристиками самих активных сред. В последние годы появление антирезонансных волокон с полой сердцевиной и низким уровнем потерь позволило создать среднеинфракрасные газовые лазеры (использующие, например, HBr и CO), работающие в диапазонах 4 мкм и 4,8 мкм. Тем не менее, поскольку колебательно-вращательные переходы молекул газа определяются их специфической структурой энергетических уровней, спектральный диапазон, который может быть охвачен одним газом, остается ограниченным.

Чтобы преодолеть спектральные ограничения, свойственные активным средам на основе одного газа, исследовательская группа предложила концепцию «два газа — одна сердцевина». Вместо того чтобы полагаться на один газ для перекрытия всего целевого диапазона длин волн, ученые объединили два типа активных сред в одном волокне, используя их взаимодополняющие полосы колебательно-вращательного усиления. Подобрав соответствующие линии поглощения для накачки, исследователи смогли добиться частотно-селективной лазерной генерации в нескольких диапазонах. Молекулы HBr и CO являются двухатомными и обладают сложной структурой колебательно-вращательных энергетических уровней; за счет выбора подходящих переходов при накачке каждая из них способна генерировать лазерное излучение в своем диапазоне среднего инфракрасного (ИК) спектра, что позволяет расширить доступный диапазон длин волн на базе единой волноводной платформы. В ходе эксперимента ученые создали двухволновой одночастотный волоконный источник накачки, перестраиваемый вблизи длин волн 2 мкм и 2,3 мкм, для возбуждения газов HBr и CO соответственно. Оба пучка накачки вводились в кварцевое антирезонансное полое волокно (AR-HCF) длиной 5 метров с диаметром сердцевины около 107 мкм. Такое волокно характеризуется потерями при передаче примерно 0,1 дБ/м на длине волны 4,0 мкм и 1,81 дБ/м на длине волны 4,8 мкм, обеспечивая канал с низкими потерями для вывода лазерного излучения, охватывающего два диапазона усиления в среднем ИК-диапазоне.

Настроив пучки накачки на линию поглощения R(3) для HBr и линию поглощения R(7) для CO, исследователи наблюдали одновременную лазерную генерацию в среднем ИК-диапазоне от обоих газов внутри одного и того же волокна. В спектре выходного излучения присутствовали линии R(3) и P(5) для HBr, а также линии R(7) и P(9) для CO. Выбирая различные переходы поглощения, удалось получить в общей сложности 22 спектральные линии лазерного излучения (12 от HBr и 10 от CO), охватывающие диапазон длин волн от 3808 нм до 4824 нм — в общей сложности 1016 нм.

Добившись широкого спектрального охвата, исследователи систематически изучили влияние давления газа и соотношения компонентов в смеси на выходную мощность излучения. При соотношении парциальных давлений HBr и CO, равном 1:1, было установлено, что суммарная выходная мощность излучения обоих газов возрастает приблизительно линейно с увеличением мощности накачки (измерения проводились при общем давлении газа в диапазоне от 1,2 до 3,2 мбар). Максимальная суммарная выходная мощность составила 73,4 мВт при общей мощности накачки 4,8 Вт. По мере роста общего давления газа выходная мощность HBr, как правило, увеличивалась, в то время как для CO наблюдалась обратная тенденция.

Исследование также показало, что влияние смешивания газов на выходные характеристики лазера существенно зависит от давления (см. рис. 5). Авторы сравнили выходные параметры газовых смесей при различных давлениях с показателями для чистых газов при том же общем давлении. В случае с HBr добавление CO при относительно низких общих давлениях обычно приводит к снижению выходной мощности. Однако с ростом общего давления введение определенного количества CO может, напротив, привести к тому, что выходная мощность HBr превысит показатели для чистого HBr при том же давлении — причем этот эффект усиления становится более выраженным при более высоких давлениях. Переход от подавления к усилению демонстрирует, что смешивание газов не только расширяет спектральный диапазон, но и открывает новые возможности для управления выходными характеристиками лазера при определенных значениях давления.

Дальнейшее расширение диапазона перестройки лазера накачки, увеличение мощности накачки, а также оптимизация характеристик пропускания половолоконных световодов в длинноволновой области могут привести к увеличению числа доступных вращательно-колебательных переходов и количества линий лазерного излучения. Исследовательская группа также планирует найти способы повышения эффективности преобразования энергии, проводя более точные экспериментальные измерения и модельный анализ процессов столкновительной релаксации и передачи энергии, характерных для газовых смесей. Данное исследование подтверждает, что использование нескольких молекулярных активных сред в одном половолоконном световоде является эффективной стратегией для достижения широкого спектрального охвата. Это открывает новый технический путь для создания компактных перестраиваемых источников излучения среднего инфракрасного диапазона, которые могут найти применение в таких областях, как многокомпонентный спектроскопический анализ, дистанционное зондирование и экологический мониторинг.