Автореферат (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения)

На правах рукописиГайнов Владимир ВладимировичОптическая интерферометрия кварцевого волоконногосветовода легированного редкоземельными ионами вусловиях генерации лазерного излучения01.04.21 – Лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукФрязино – 2016Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении наукиФрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. КотельниковаРАН.Научный руководитель:к.ф.-м.н., доцент МФТИ,зав. лабораторией ФИРЭ РАН«Исследования материалов для квантовойэлектроники»Рябушкин Олег АлексеевичОфициальные оппоненты:д.ф.-м.н.

Цветков Владимир Борисович,Институт общей физикиим. А.М. Прохорова РАНк.ф.-м.н. Мухин Иван Борисович,Институт прикладной физики РАНВедущая организация:НИЯУ Московский инженерно-физический институтЗащита состоится «__» _________ 2016 года, в 1500 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.31 при Физическом факультете МГУ по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, МГУ, д.

1. стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахма­новаС текстом диссертации можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27) и на сайте физического фа­культета МГУ имени М.В. Ломоносова http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-31/Автореферат разослан «__» ________ 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат физико-математических наукКоновко А.А.2Общая характеристика работыАктуальность работы.

Волоконные лазеры на основе активных световодов из плав­леного кварца, легированного ионами Yb3+ , на сегодняшний день являются самыми яр­кими источниками излучения среди всех твердотельных лазеров. Основным фактором,определяющим уникальные характеристики такого лазера является использование в каче­стве активной примеси ионов Yb3+ . Это позволяет получить минимальное тепловыделениеза счёт малой разницы энергий квантов накачки и лазерного излучения, обусловленнойособенностями энергетической структуры уровней ионов Yb3+ в кварцевом стекле.

Значи­тельными преимуществами волоконного лазера являются высокая лучевая стойкость иоптическая прозрачность кварцевого стекла, изготовленного по методу MCVD, а такжегеометрия активной среды, обладающая большим соотношением площади поверхности кобъёму, что обеспечивает эффективный теплоотвод. При мощностях лазерного излученияот 100 Вт и более происходит сильный разогрев и изменение свойств активной среды.Изменение параметров излучения волоконного лазера может происходит вследствие мно­гих механизмов: изменение профиля показателя преломления и модового состава актив­ного световода, развитие нелинейных эффектов, изменение спектроскопических свойствактивной среды вследствие разогрева, разрушение волоконного световода вследствие де­градации полимерного покрытия или достижения лучевой прочности кварцевого стекла.Таким образом, исследование параметров состояния активной среды волоконного лазерав процессе лазерной генерации является важной научной и практической задачей.Основным параметром, по которому можно судить о состоянии активной среды прибольших мощностях накачки является температура.

Уникальность геометрических пара­метров активной среды волоконного лазера (сердцевина кварцевого световода диаметромне более 20 мкм при длине световода несколько десятков метров) является основной при­чиной того, что до последнего времени отсутствовали экспериментальные методы измере­ния её температуры. Одним из важных критериев предъявляемых к методике являетсявозможность выполнения измерений при любых условиях теплоотвода (именно с цельюпоиска оптимальных условий), а также отсутствие влияния на состояние активной средыв условиях лазерной генерации.

В полной мере этим критериям удовлетворяет интерферо­метрический метод, представляемый в настоящей диссертационной работе. Изменение тем­пературы активной среды приводит к изменению показателя преломления в сердцевинесветовода, которое можно измерить с помощью интерферометра, в одно из плеч которогопомещена активная схема волоконного лазера. Использование зондирующего излучения,лежащего вдали от полос поглощения активных ионов в кварцевом стекле позволяет про­водить измерения в любом режиме работы волоконного лазера, а большая протяжённостьактивной среды обеспечивает высокую амплитуду интерференционного сигнала.Помимо влияния температуры изменение показателя преломления сердцевины про­исходит также вследствие различных нелинейных эффектов.

Основной вклад при этомвносится резонансной фоторефракцией, возникающей в активной среде вследствие изме­нения населённостей энергетических уровней активных ионов при оптической накачке.Для получения правильных оценок температуры разогрева активной среды с помощьюинтерферометрической методики необходимо учесть влияние данного механизма на ве­личину изменения показателя преломления.

Временные масштабы изменения показателяпреломления для теплового и фоторефрактивного механизмов значительно отличаются,что и используется в настоящей работе для экспериментального разделения их вкладовпри интерферометрических измерениях с импульсной оптической накачкой активной сре­ды.3Цель диссертационной работы Состоит в разработке метода измерения темпера­туры в сердцевине активного световода в условиях лазерной генерации на основе волокон­ной интерферометрии, и использовании данного метода для исследовании зависимоститемпературы разогрева от мощности накачки, параметров активной среды и теплоотвода.Для достижения данной цели решались следующей задачи:1. Разработка конфигурации экспериментального стенда на основе интерферометра, водном из плеч которого помещена активная схема волоконного лазера, метода измере­ний и обработки экспериментальных результатов измерений, а также автоматизациястенда;2.

Разделение вклада различных механизмов изменения показателя преломления све­товода при соответствующей адаптации экспериментального стенда.3. Численное моделирование разогрева и изменения показателя преломления активнойсреды при оптической накачке на основе скоростных уравнений и нестационарногоуравнения теплопроводности для сравнения с результатами эксперимента.Научная новизна.1. Разработан экспериментальный стенд на основе волоконной интерферометрии дляизмерения in situ эффективной средней по длине температуры в сердцевине актив­ного световода в условиях генерации мощного лазерного излучения, и впервые про­ведены измерения температуры в этих условиях;2.

Впервые экспериментально измерялась зависимость эффективного коэффициентатеплообмена активного волокна от разности температур волокна и окружающей сре­ды при естественном воздушном конвекционном охлаждении;3. Из сравнения результатов эксперимента с численным моделированием впервые де­монстрируется существенная зависимость разогрева иттербиевого световода от коэф­фициента нерезонансных потерь в сердцевине волокна, при этом мощность тепловогоисточника от резонансных и нерезонансных потерь может достигать сравнимых ве­личин при изменении дифференциальной эффективности лазера менее чем на 8%;4.

На основе интерференционного метода с модуляцией накачки впервые эксперимен­тально измеряется эффективная разность температур сердцевины и оболочки актив­ного световода в зависимости от мощности накачки, причём вклад электронного итеплового механизма в изменение показателя преломления (ИПП) в данной методикеразделяется экспериментально за счёт использования лазерного резонатора в схемеинтерферометра;5. Впервые проводятся измерения ИПП при оптической накачке в сердцевине Yb3+ /Er3+активных световодов;Практическая значимость.1. Разработан метод измерения среднего по длине приращения температуры в сердце­вине активных волоконных световодов в условиях генерации лазерного излучения,что позволило создать новые методы диагностики состояния активной среды воло­конного лазера;2. Предложена методика по измерению эффективного коэффициента конвективноготеплообмена световода, а также его зависимости от температуры световода и вы­полнено измерение этой зависимости для иттербиевого волоконного лазера с цельюуточнения параметров тепловой модели;43.

Предложена методика по измерению средней по длине разности температур сердце­вины и оболочки активного волокна в условиях лазерной генерации и выполненыизмерения этой величины для Yb3+ и Yb3+ /Er3+ активных световодов c целью опре­деления степени влияния профиля неоднородности температуры на параметры из­лучения волоконного лазера.4.

Предложена интерференционная методика для исследования кинетики безызлуча­тельных переходов в активных средах на основе легированных кристаллов и стёкол,обладающая технологическими преимуществами для активных сред волоконной гео­метрии.На защиту выносятся следующие положения:1. Изменение показателя преломления в сердцевине Yb3+ и Yb3+ /Er3+ активных свето­водов возникающее за счёт разогрева в условиях стационарной лазерной генерации,более чем на порядок превышает соответствующее изменение за счёт резонанснойнелинейности показателя преломления, возникающее вследствие изменения населён­ности энергетических уровней;2.

Для иттербиевых волоконных активных сред в ненасыщенном режиме изменениеразности показателей преломления сердцевины и оболочки за счёт резонансной нели­нейности на порядок превышает аналогичную величину за счёт температурной неод­нородности.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на между­народных конференциях: 3rd, 4th and 5th International Symposium on High-Power FiberLasers and Their Applications (Laser Optics) (St. Petersburg, Russia: June 26-28, 2006; June23-28, 2008; June 28 - July 02, 2010); International Conference on Lasers, Applications andTechnologies (ICONO/LAT) (Minsk, Belarus, May 28 - June 1, 2007; Kazan, Russia, August23-26, 2010); Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEOr /Europe 2007) (Munich, Germany,June 17-22, 2007); VII международная конференция "Лазерная физика и оптические техно­логии"(Минск, Беларусь, 17-19 июня, 2008); 3rd EPS-QEOD Europhoton Conference (Paris,France, August 31 - September 5, 2008); 34th European Conference on Optical Communication(ECOC’2008) (Brussels, Belgium, September 21-25, 2008); Progress in Electromagnetic ResearchSymposium (Shanghai, China, August 8-11, 2016).Публикации.