Лазеры на основе световодов, легированных нонами Er 3+

Ионы Er 3+ в кварцевом стекле имеют полосу люминесценции с центром на 1.53 мкм, что позволяет реализовать волоконные лазеры и усилители для спектрального диапазона 1.53 — 1.6 мкм. Соответствующий спектр люминесценции ионов Er 3+ в алюмогерманосиликатном стекле представлен на рис. 3.13.

Рисунок 3.13 — Спектры поглощения и люминесценции ионов эрбия в алюмогерманосиликатном кварцевом стекле Источники излучения на основе волоконных световодов, легированных ионами эрбия, работают по трехуровневой схеме, что подразумевает необходимость достижения высокой степени инверсии населенности. Максимум полосы поглощения практически совпадает с максимумом люминесценции, поэтому в первой работе по реализации эрбиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку использовалась волноводная структура с малым диаметром внутренней оболочки, позволяющим добиться высокой степени инверсии. Диаметр внутренней оболочки составил 22 мкм, числовая апертура равнялась 0.18. При мощности накачки 900 мВт (л = 980 нм) была получена лазерная генерация мощностью 300 мВт на длине волны 1540 нм. дифференциальная эффективность составила 40%.

Понятно, что выходная мощность в данном случае ограничивается возможностями ввода мощности накачки во внутреннюю оболочку малого размера. В то же время, как видно из рис. 3.13, в спектральной области 1.56 -1.6 мкм (L-полоса) люминесценция доминирует над поглощением. Это позволяет снизить требования к степени инверсии населенности и использовать активные световоды с большим размером внутренней оболочки, и, следовательно, применять более мощные источники накачки. Этот подход был реализован в работе, в которой использовался активный световод с диаметром внутренней оболочки 50 мкм, что позволило получить усиленный сигнал в L-полосе мощностью 1 Вт. Можно предположить, что такие световоды могут быть использованы и для создания лазеров, излучающих в этом спектральном диапазоне.

Для получения лазерной генерации в диапазоне 1.53 — 1.6 мкм чаще всего используют волоконные световоды, легированные одновременно ионами Yb3+ и Ег3+. В таких световодах эффективное поглощение накачки на длине волны 976 нм обеспечивается ионами Yb3+, которые передают энергию возбуждения ионам Ег3+.

Такая передача оказывается возможной благодаря близости энергетических уровней 2F5/2 ионов иттербия и 4 11/ 2- ионов эрбия. Одной из проблем реализации такого световода является выбор и воспроизведение правильного химического состава сердцевины. Так, для того чтобы снизить вероятность обратной передачи энергии, необходимо уменьшить время жизни ионов Ег3+ на возбужденном уровне I11/ 2, что достигается использованием фосфоросиликатного стекла для материала сердцевины. Кроме того, важным является выбор соотношения концентраций активных ионов. Показано, что максимальная эффективность лазерной генерации (около 50%) достигается в случае, когда концентрация ионов иттербия превышает концентрацию ионов эрбия в 30 раз.

В настоящее время компанией IPG промышленным образом выпускаются волоконные лазеры с длиной волны излучения в диапазоне 1.53−1.62 мкм и выходной мощностью более 100 Вт. Отметим также, что волоконные световоды, легированные ионами Ег3+ и Yb3+, используются для создания мощных одночастотных волоконных лазеров. Так, был реализован лазер с шириной линии излучения менее 30 кГц и выходной мощностью более 5 Вт (при мощности накачки 25 Вт).