Разработка специальных световодов и создание на их базе одночастотных волоконных лазеров для новых спектральных диапазонов

Одночастотные волоконные лазеры (ОВЛ) имеют большой потенциал для решения задач волоконной оптики. Компактность, надежность, узкая ширина линии, низкий уровень шума и простота интеграции в существующие оптоволоконные схемы делают их весьма привлекательными для таких областей как телекоммуникация, высокоточная метрология, спектроскопия высокого разрешения, высокочувствительное зондирование и т.д. Активный волоконный световод является ключевым элементом конструкции ОВЛ и именно его свойства во многом определяют характеристики всей лазерной системы. На сегодняшний день исследования ОВЛ в основном сосредоточены на области 1 мкм, 1.5 мкм и 1.9 мкм с использованием подходов, в которых используются световоды, легированные иттербием, эрбием и тулием. Для построения ОВЛ используются две схемы резонатора, это резонатор с распределенной обратной связью и классический резонатор Фабри-Перо. Для обеих схем используются короткие отрезки активных световодов (не более 10 см), обеспечивающие селекцию одной единственной продольной моды. Данный конструктив ограничивает диапазон работы существующих ОВЛ узкой областью интенсивной люминесценции ионов РЗЭ (~100 нм), поскольку очень сложно получить лазерную генерацию на коротком отрезке активного световода в диапазонах длин волн, отстоящих далеко от максимумов. Целью проекта является разработка эффективных ОВЛ достаточной мощности в диапазонах длин волн короче 1 мкм и свыше 1.6 мкм, для которых подобные аналоги не существуют, либо их использование крайне затруднительно по ряду причин. Актуальным является запрос из областей медицины и спектроскопии на разработку источников одночастотного излучения на 976 нм. Длина волны 976 нм является уникальной для медицинских применений, поскольку попадает в пик поглощения воды и цельной крови. Другим практически важным аспектом является использование одночастотного излучения 976 нм для последующих преобразований в излучение 488 нм (альтернатива аргоновому лазеру) и 244 нм (альтернатива эксимерному лазеру). Особо высокую актуальность имеет разработка ОВЛ в диапазоне сильного резонансного поглощения связей C-H (1610-1790 nm), для которого подобные лазеры пока не созданы. Такие источники чрезвычайно востребованы для детектирования малых концентраций газов (например, метана, сероводорода), медицинских применений (лазерная хирургия, селективная обработка биологических тканей), для распределенных волоконных сенсоров (мониторинг оптоволоконных линий). Таким образом, разработка ОВЛ для новых диапазонов спектра, несомненно, является актуальной задачей. В качестве решения предлагается новая конструкция ОВЛ c так называемым “случайным” резонатором, образованным массивом слабо отражающих брегговских решеток показателя преломления, записанных в процессе вытяжки световода. Данная схема предлагает широкие возможности для получения лазерной генерации, потенциально на любой длине волны, в области прозрачности кварцевого стекла, при условии достаточного коэффициента отражения массива решеток и необходимого усиления на выбранной длине волны лазера. Успех создания эффективных “случайных” лазеров, прежде всего, зависит от ключевого элемента конструкции – активного волоконного световода. В качестве материала сердцевины световодов выбраны стекла, с потенциально высокой фоточувствительностью (GeO2-P2O5-SiO2, GeO2-SiO2, P2O5-SiO2, и Sb2O3-P2O5-SiO2), которые будут активированы Yb, Er, Вi, Tm, а также сочетанием Вi c Er и Tm, люминесцирующими в области длин волн разрабатываемых ОВЛ. Научная новизна проекта отражена в следующих положениях. Область исследований коллектива проекта направлена на новые диапазоны спектра. Предлагается новая конструкция ОВЛ, для успешной реализации которых, будут изготовлены и впервые исследованы световоды с новыми составами стекла сердцевины. Впервые будет исследована возможность создания ОВЛ в диапазоне 1600-1800 нм на основе висмутовых световодов. Пробел в реализации ОВЛ для данной части спектра во многом обусловлен тем, что только весьма ограниченное число исследователей обладают технологией изготовления висмутовых световодов, пригодных для создания усилительных сред и будет ликвидирован в случае поддержки данного проекта.