Лазеры 
Усилители 
Лазерная электроника 
Лазерные комплексы Авторы:
Колегов А.А.1, Абакшин А.А.1,2, Чумаченко А.В.1,2, Горбачев А.В.1,2, Фролов Д.А.1,2,Игнатьев И.А.1,2, Арсланов И.Р.1,2
1ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург
2Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург
Увеличение мощности одномодовых оптоволоконных лазеров ограничено рядом физических факторов. К наиболее значимым ограничивающим факторам относятся нелинейные эффекты, такие как вынужденное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна (ВРМБ), вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), самофокусировка и др.
Увеличение мощности лазерного излучения с дифракционным качеством мощностью свыше 10 кВт возможно при сложении излучения нескольких одномодовых лазерных источников. Существуют некоторые методы, позволяющие при объединении лазерных пучков получать высокое качество результирующего излучения. Среди них можно отметить когерентное сложение [1-3] и спектральное сложение излучения [4-6].
Уровень выходной мощности излучения лазеров и усилителей, используемых для объединения, достигает 1-2 кВт в зависимости от ширины спектра и качества излучения [7-9]. Настоящая работа посвящена разработке и созданию одномодового оптоволоконного усилителя с качеством излучения М2 не хуже 1.3 и мощностью излучения уровня 1 кВт.
Поскольку в усилитель входит излучение с достаточно узкой шириной спектра, то в первую очередь будет развиваться эффект ВРМБ. Пороговую мощность возникновения ВРМБ можно оценить по формуле [10]:
(1)
где gSBS – коэффициент усиления ВРМБ, Leff– эффективная длина волокна,
(2)
Коэффициенты усиления ВРМБ зависят от структуры материала и ширины спектра сигнала. Выражение для пикового значения gSBS можно записать в виде:
(3)
где Aeff – эффективная площадь моды, ΔΩSBS - ширина полосы ВРМБ усиления (10-50 МГц), ΔΩP – ширина полосы излучения лазерной генерации (3-30 ГГц),GSBS - коэффициент ВРМБ усиления в объемном кварцевом стекле, который определяется выражением [11]:
(4)
где n = 1.468 – показатель преломления сердцевины, Va=5960 м/с - скорость акустической волны, p = 0.3 – продольный акустооптический коэффициент, λp =1064 нм – длина волны, ρ = 2.2*103 кг/м3– плотность материала, с – скорость света.
Для ширины полосы ВРМБ усиления (50 МГц), при типичном для кварцевого стекла коэффициенте потерь α ~ 0,005 м-1, получим представленные на рисунке 1 зависимости пороговой мощности ВРМБ в зависимости от длины волокна с диаметром сердцевины 20 мкм и для значений ширины спектра 10 пм, 20 пм и 40 пм.
Как видно из рис. 1 мощность излучения на уровне 1 кВт при ширине спектра 10 пм можно получить при длине волокна не более 10 м, при 20 пм – не более 22 м, при 40 пм – не более 45 м.
Для получения контрастной интерференционной картины или эффективного когерентного сложения длина когерентности должна быть больше разности хода взаимодействующих волн. Это обеспечивается достаточно узкой шириной спектра, например, при ширине спектра 20 ГГц (80 пм) длина когерентности составляет примерно 10 см, что достаточно для эффективного когерентного сложения.
При сборке подобных усилителей необходимо обеспечить хорошую развязку между каскадами усиления, не допускать развития усиленного спонтанного излучения (УСИ), минимизировать паразитную обратную связь и принять меры по увеличению порогов возникновения ВРМБ.
Рис. 1. Пороговая мощность ВРМБ
Таким образом, в зависимости от требований к ширине спектра излучения определяется тип используемой накачки – стабилизированная на длине волны 976 нм для минимизации длины волокна или более доступный вариант с длиной волны 915 нм. Следует отметить, что при использовании коротких участков активного волокна при достаточно высокой накачке, необходимо обеспечивать эффективный отвод тепла от волокна, например, для достижения выходной мощности уровня 1 кВт мощность излучения накачки должна составлять примерно 1.7 кВт, а при длине активного волокна 10 м тепловая нагрузка может составлять 170 Вт/м, что уже не является тривиальной задачей и может приводить к температурной модовой нестабильности (ТМН).
Структурная схема разработанного усилителя представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема усилителя
Заключение
Нами разработана схема и изготовлен образец волоконного усилителя узкополосного сигнала со спектральной шириной 40-60 пм и мощностью 1-3 Вт для систем когерентного сложения. Разработанный усилитель с эффективностью свыше 60% имеет входное волокно с диаметром сердцевины 10 мкм и числовой апертурой 0.08. Повышение порогов ВРМБ и ТМН обеспечено путем организации обратной накачки, при этом максимальная мощность излучения достигается в конце каскада усиления, а также путем деформации и скручивания волокна в кольца малого диаметра для выведения мод высшего порядка [12]. Паразитная генерация минимизирована путем организации косых сколов на свободных торцах волокон. Развитие УСИ минимизировано обеспечением усиления менее 15 дБ. Для усиления сигнала с уровня ~ 10 мВт необходим предварительный усилитель до уровня единиц Вт.
Литература
2. McNaught S.J. et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20, 174–181 (2014)
3. Flores A. et al, Opt. Eng. 55, 096101 (2016)
4. Zhang Fan et al, Opt. Express 24, 12063–12071 (2016)
5. Ma Y. et al, Chinese J. Lasers 43, 0901009 (2016)
6. Chen F. et al, Opt. Express 25, 32783–32791 (2017)
7. Samson B., Carter A., The Review of Laser Engineering 41, 714-717, (2013)
8. Ma P. et al, Opt. Express 24, 4187–4195 (2016)
9. Chang Z. et al, Applied Optics. 58, 6419-6425, (2019)
10. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. Москва (1987)
11. Agraval G.P. et al, Nonlinear Fiber Optics. Academic press, London, (1989)
12. Anderson B. et al, Proc. SPIE 11665, 116650G (2021)
