Автореферат (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 2

Результаты работы опубликованы в 5 статьях рецензируемых науч­ных журналов из перечня ВАК [1–5], 2 статьях в сборниках трудов международных кон­ференций [6, 7], сделано 11 докладов на международных научных конференциях [8–18],а также опубликовано 5 статей в трудах конференций МФТИ «Современные проблемыфундаментальных и прикладных наук».Личный вклад автора заключается в участии в разработке методов исследования,проведении численных расчетов и экспериментальных измерений, в написании научныхстатей и их подготовке к публикации. Все использованные в диссертации эксперименталь­ные результаты, описанные в главах 2-4, получены автором лично или при определяющемего участии.

Материалы, представленные в работе, получены в результате эксперимен­тальных исследований, выполненных автором на кафедре фотоники (базовая организацияНТО "ИРЭ-Полюс") факультета физической и квантовой электроники МФТИ, а такжелаборатории № 228 ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырехглав, списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы, списковобозначений, иллюстраций и таблиц. Работа содержит 156 страниц, 58 рисунков, 11 таблици список литературы, включающий 117 источников.5Содержание работыВо введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированацель и проанализирована научная новизна исследований, показана практическая значи­мость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.Первая глава посвящена анализу литературы и представляет собой подробный об­зор физических явлений, на которых основана работа волоконного лазера, современногоуровня технологии мощных волоконных лазеров и усилителей, а также основных тепло­вых эффектов и принципов измерения температуры в активных элементах твердотельных(в том числе и волоконных) лазеров.В случае твердотельных лазеров с оптической накачкой основными ограничениямипри достижении больших оптических мощностей являются: концентрационное тушение,пространственное перекрытие объёма активной среды и, в наибольшей степени, неодно­родный разогрев активной среды.

Показано, что наибольшими преимуществами при со­здании мощных лазеров обладают активные среды с пониженной размерностью по однойили двум пространственным координатам, легированные ионами Yb3+ , среди которых вы­деляют дисковые и волоконные лазеры.Волоконный лазер представляет собой световод из плавленого кварца (кварцевогостекла) сердцевина которого легирована ионами редкоземельных элементов.

Использо­вание ионов Yb3+ в качестве основной легирующей примеси позволяет снизить влияниеэффектов концентрационного тушения в связи с отсутствием в энергетическом спектреэквидистантно расположенных уровней, а большое соотношение площади поверхности кобъёму световода позволяет обеспечить эффективный теплоотвод.Уровни энергии редкоземельных ионов, которые в свободном состоянии вырожденыпо проекции полного углового момента, в стекле оказываются расщеплёнными вследствиеэффекта Штарка и, как следствие, неоднородно уширенными. Излучательные свойстваактивных ионов характеризуются зависимостью сечений поглощения и люминесценцииот длины волны.

Спектральная форма сечений определяется энергетической диаграммойрасщеплений уровней РЗ-ионов, а также тепловым распределением населённостей внутрикаждого из мультиплетов. Для оптической накачки используются спектральные области,в которых сечение поглощения превышает сечение люминесценции, а для получения ла­зерной генерации или усиления - области, где выполняется обратное соотношение. Этоопределяет минимальный размен энергии квантов накачки и лазерного излучения, приво­дящий к разогреву активной среды, который для ионов Yb3+ составляет 5-10%.Помимо ионов Yb3+ , для использования в мощных лазерах широкое распространениетакже получили ионы Er3+ (сенсибилизация иттербием, спектральный диапазон лазернойгенерации – 1.55 мкм) и Tm3+ (диапазон 1.9-2 мкм).По своему функциональному назначению современные мощные волоконные лазерыи усилители представляют собой преобразователи качества оптического излучения.

Про­странственно и спектрально многомодовое излучение накачки мощных полупроводнико­вых лазерных диодов, поглощаясь в легированной РЗ ионами сердцевине активных воло­кон, позволяет осуществлять усиление и генерацию лазерного излучения на основной модеактивного световода с предельно малой расходимостью, близкой к гауссовой. Для вводамногомодового излучения накачки в активное волокно используются две основные кон­фигурации: торцевая и боковая накачка; при этом необходимо использование т.н. волоконс двойной оболочкой (рис.

1), в которых кварцевая оболочка и окружающий её полимерформируют многомодовый световод для излучения накачки. Боковая накачка (рис. 2)позволяет реализовать конфигурацию мощного лазера по т.н. схеме MOPFA - задающий6лазер, после которого расположен усилитель мощности.Волоконные лазеры, спроектированные иизготовленные по такой схеме, на сегодняш­ний день достигли мощности 15 кВт и яв­ляются, таким образом, самыми яркими ис­точниками излучения оптического диапазо­на среди всех твердотельных лазеров.

Оче­видно, что при столь высоких мощностяхлазерного излучения нельзя не учитыватьвлияние разогрева активного волокна наусловия работы лазера.В разделе 1.6 подробно рассмотренапроблема разогрева и и представлен обзорлитературы по тепловым эффектам в мощ­ных твердотельных и волоконных лазерах.Процессы разогрева рассмотрены в разде­Рис.

1. Геометрия и профиль показателя ле 1.6.1 первоначально на примере термо­преломления волокна с двойной оболочкой.оптических эффектов в активных элемен­Обозначения:, — диаметры сердцевины и легированной части тах (АЭ) цилиндрической формы для объ­0 , — радиус кварцевой оболочки и полимерной ёмных твердотельных лазеров. Искажениеоболочкипараметров лазерного пучка в них вызвано , —показательпреломления как непосредственной зависимостью пока­сердцевины, плавленого кварца и полимера.зателя преломления от температуры, так ивлиянием на показатель преломления возникающих термоупругих напряжений.

Описаниеданной физической модели производится на основе стационарного уравнения теплопровод­ности, а также закона Гука в приближении плоских деформаций [19].В разделе 1.6.3 представлен обзор литературы, посвящённой тепловым эффектамв волоконных лазерах. Влияние разогрева и возникающих при этом термоупругих эффек­тов на свойства активных волоконных световодов и предельно достижимые оптическиемощности впервые наиболее подробно рассмотрено в работе [20]. Одним из важных выво­дов данной статьи является тот факт, что неоднородное изменение ППП обусловленноефотоупругим эффектом, в отличие от объёмных активных сред, в волоконных оказыва­ется существенно меньше аналогичной величины, обусловленной зависимостью показа­теля преломления плавленого кварца от температуры (фототермический коэффициентРис.

2. Схематическое представление конструкции активного волокна с боковой накачкой7 = 10−5 −1 ). На основе сравнения различных механизмов деградации активного свето­вода делается вывод, что основным ограничивающим фактором для получения большойвыходной оптической мощности волоконного лазера является достижение температурыплавления кварцевого стекла (1400 C) в сердцевине.В этой работе рассматривался световод без полимерной оболочки, и не учитывалисьвозможные способы теплоотвода, отличные от конвекционного теплообмена. В работах[21, 22] проводились измерения температуры полимерного покрытия мощного волокон­ного лазера, разогреваемого излучением накачки, а также проанализированы несколькоразличных типов радиаторов для волоконных световодов.

Получены оценки температу­ры воспламенения полимера 170 ± 10 , что на порядок меньше температуры плавлениякварцевого стекла.В рамках проблемы большой температуры в сердцевине активного волокна большаячасть работ посвящена численному моделированию распределения температуры по длинесветовода, и в настоящей диссертационной работе представлен их подробный список [23].Теоретический анализ тепловых эффектов в лазерах на основе уравнения теплопро­водности с соответствующими граничными условиями основывается на целом ряде допу­щений относительно модели и используемых количественных величин, не контролируемыхэкспериментально. Именно поэтому встаёт задача непосредственного измерения темпера­туры и тепловых искажений параметров лазерного излучения внутри активной среды, чтои является основной целью данной работы.Уникальность геометрических параметров активной среды волоконного лазера (серд­цевина кварцевого световода диаметром не более 20 мкм) является основной причинойтого, что до последнего времени отсутствовали экспериментальные методы измерения еётемпературы.

Обзор немногочисленных на сегодняшний день экспериментальных работпо измерению температуры активных волокон в условиях лазерной генерации излагаетсяв разделе 1.6.4 в соответствии с классификацией экспериментальных методов, представ­ленной ранее. Основные среди них:[21, 24] - тепловизорные измерения температуры активного волокна и участков сварногошва.[25] - контактный метод измерения температуры. Сенсором является световод с записан­ным в нём последовательным массивом волоконных брэгговских решёток, находя­щийся в тепловом контакте с исследуемым активным волокном.[26] - массив брэгговских решёток записывался непосредственно в сердцевину активноговолокнаИнтерферометрический метод измерения температуры в сердцевине активного во­локна в условиях лазерной генерации реализован впервые в [8] и излагается далее внастоящей диссертационной работе.По сравнению с остальными интерферометрический метод в совокупности обладает рядомпреимуществ:1.