Российские физики разработали новый тип оптического волокна (стеклянного волокна, содержащего висмут) для лазеров, излучающих в области 1.6–1.8 микрометров, и изучили его уникальные характеристики. Работа проводится впервые в мире, а ее результаты опубликованы в журнале IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

«Благодаря компактности, надежности, высокому качеству выходного излучения в настоящее время особую популярность получили волоконные лазеры, в которых в качестве активной среды используется оптоволокно с различными добавками химических элементов, преимущественно редкоземельных металлов. В таких лазерах излучение распространяется в области размером 2–10 микрометров, что позволяет получать высокую яркость. Совместно с Институтом химии высокочистых веществ РАН, мы создали новый тип волокна для лазеров, генерирующих в новых спектральных диапазонах, недоступных для волоконных лазеров с редкоземельными ионами», — рассказал Сергей Фирстов, кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник Научного центра волоконной оптики РАН.

Сергею Фирстову и его коллегам удалось этого добиться при помощи введения химического элемента висмута в оптоволокно с высоким содержанием оксида германия. Известно, что висмут при нормальных условиях — это блестящий серебристый металл с розоватым отблеском. При добавке этого элемента оптоволокно наделяется уникальными способностями, которые позволяют усиливать и генерировать оптическое излучение на различных длинах волн, в данном случае от 1.6 до 1.8 микрометров (для сравнения: толщина человеческого волоса равна примерно 40 микрометров). Это излучение относится к ближнему инфракрасному диапазону, которое не видно человеческим глазом.

Фото: Научный сотрудник Сергей Алышев за измере...

Фото: Научный сотрудник Сергей Алышев за измерением параметров висмутового лазера. Источник: Сергей Фирстов.

Физики установили, что оптоволокно приобретает необходимые свойства при введении ионов висмута в оптоволокно с высоким количеством оксида германия. Только в этом случае ион висмута, встраиваясь вблизи дефекта сетки стекла, будет работать как активный центр. Авторы работы интенсивно занимаются экспериментальными исследованиями свойств таких волокон, обращая внимание на интересные особенности, — такая работа проводится впервые в мире. В частности, недавно был обнаружен новый оптический эффект — обесцвечивания волокна под воздействием лазерного излучения и его обратимость при нагреве.

Сейчас данного типа волокна созданы лазеры в области 1.7 микрометров с мощностью более 2 ватт и КПД более 30%. Разработка не имеет зарубежных аналогов. До сих пор остается неизвестным фундаментальное ограничение характеристик таких лазеров. Ученые считают, что эти характеристики, вполне вероятно, можно улучшить, совершенствуя технологию их изготовления.

«Волоконные лазеры генерируют в определенных областях длин волн, при этом область длин волн 1.6–1.8 микрометров оставалась почти неосвоенной, — подытоживает Сергей Фирстов. — Добавление висмута в стеклянную матрицу с высоким содержанием оксида германия стало прорывом, позволившим реализовать новый тип световодов, который можно использовать в качестве активной среды для создания усилителей и лазеров, работающих в этом спектральном диапазоне».

Фото: Научный сотрудник Сергей Алышев за измерением параметров висмутового лазера. Источник: Сергей Фирстов.