Автореферат (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 3

Измерение температуры непосредственно в серцевине;2. Высокое быстродействие метода, ограниченное временем прохода излучения по ак­тивной среде;3. Возможность измерения температуры в широком диапазоне условий теплоотвода;4. Отсутствие влияния на параметры активной среды в процессе измерения.В связи с выбором экспериментального метода проанализированы физические эф­фекты также приводящие к ИПП активной среды в условиях оптической накачки, среди8которых основным является резонансная нелинейность показателя преломления, подроб­но рассмотренная в разделе 1.7. При изменении населённостей электронных состоянийактивных ионов под воздействием оптической накачки изменяется поглощение в актив­ной среде, а, вследствие соотношения Крамерса-Кронига, также и показатель преломле­ния [27, 28].

Далее этот эффект также будет называться электронным механизмом ИПП. Вклассической модели восприимчивость среды (в данном случае подсистемы примесных РЗионов) определяется амплитудой суммарного дипольного момента набора осцилляторов ссобственными резонансными частотами . Для совокупности осцилляторов с однородноуширенными линиями переходов связь между показателем преломления на частоте инаселённостью уровней определяется с учётом локального поля по формуле Клаузиуса­Мосотти (система СГС):4 ∑︁( − )2 − 1=ˆ () ,( − )2 + 23 (1)2 ∑︁,2 − 2 + Γ(2)ˆ () =где ˆ () – комплексная поляризуемость атома (РЗ-иона) в j-м состоянии на частоте , – населённость i-го состояния, Γ , – коэффициент затухания и сила осцилляторасоответствующего перехода.

Для малых приращений показателя преломления (|∆| ≪ )(1) удобно записать в виде:22 ∑︁∆ ∆ ,(3)∆ = ̸=12 + 2где =– фактор локального поля, ∆ – разность поляризуемостей основного3и j-го возбуждённого уровня ∆ – приращение населённости j-го уровня относительноравновесного состояния. Выражение (3) и определяет величину вклада электронного ме­ханизма в ИПП при оптической накачке.Исследование электронного механизма ИПП как в твердотельных, так и волоконныхлазерных средах было проведено в большом количестве работ, начиная с 90-х гг. [27–32](cм. также обзор [33]). Изучение данного явления представляет интерес в твердотельныхсредах в связи с влиянием индуцированной «электронной» линзы на параметры лазерно­го пучка [28, 31], а в волоконных — в связи с возникновением резонансной дисперсии вэрбиевых усилителях при оптической накачке [32], а также для применения в устройствахоптического переключения (optical switching) и когерентного сложения сигнала (coherentbeam combining) [29, 30, 33].

В экспериментах с использованием различных конфигура­ций объёмных и волоконных интерферометров, таких как Маха-Цандера, Майкельсона,интерферометр на волокне с двойной жилой (Twin-Core Fiber), были получены значенияИПП и соответствующие силы осцилляторов переходов, а также их зависимости ИППот длины волны. Исходя из литературных данных, преобладающий вклад в ИПП (в томчисле и вблизи резонанса активных ионов), в соответствии с разложением (2), дают ди­польно-разрешённые переходы с малым временем жизни и, соответственно, с большейсилой осциллятора чем у лазерных переходов.В настоящей работе выполнены аналогичные измерения для иттербиевых, эрбиевых,а также не исследованных ранее с этой точки зрения иттербий-эрбиевых активных воло­кон для разделения вклада электронного и теплового механизмов в ИПП при оптическойнакачке.9В разделе 1.8 рассмотрены применения волоконной интерферометрии в датчикахразличных физических величин.Вторая глава посвящена подробному описанию экспериментального стенда для из­мерения стационарной температуры разогрева, методики обработки экспериментальныхданных, исследуемых образцов и процедуры калибровки.В большинстве случаев проводились эксперименты с активным волокном т.н.

двой­ной геометрии (рис. 3) где многомодовый пассивный и активный световоды, находящие воптическом контакте между собой, объединены общей полимерной волноведущей оболоч­кой [34].Здесь излучение накачки, вводи­мое в торец многомодового свето­вода, распространяется в виде об­щей системы мод обоих светово­дов и поглощается в легированнойжиле активного световода.

Дан­ное волокно (так же как и обычноецилиндрическое волокно с двой­ной оболочкой, рис. 1) в попереч­ном сечении представляет собойсложную оптически гетерогеннуюсистему. Рассмотрим процесс уста­новления температуры в таком во­Рис. 3. Геометрия двойного волокна. Поперечное сечение локне после быстрого включенияактивного и пассивного волокон, находящихся в оптическом мощности накачки. В целях упро­контакте. Кварцевые световоды в полимерной оболочке.щённого описания процесс уста­ — диаметр волноведущей сердцевиныновления температуры в таком во­ — диаметр легированной частилокне после быстрого изменения0 — радиус кварцевой оболочкимощности накачки можно разбитьℎ — толщина полимерной оболочки.на ряд стадий:1.

Малые времена после изменения мощности накачки (менее 10 мс). Прирост тем­пературы происходит в основном в сердцевине активного волокна, в то время какв кварцевой и полимерной оболочках температуры пока остаётся постоянной. Рас­пределение температуры вблизи средцевины при этом можно вычислить на основециллиндрически симметричной модели.2. Переходной процесс ( ∼ 10−2 ...10−1 c)3. Более 1 с после изменения мощности накачки. В этом случае волокно входит в регу­лярный тепловой режим [35], при котором температурный профиль устанавливаетсяпрактически однородным по поперечному сечению активного волокна, т.е.

величи­на разности температур сердцевины и оболочки волокна становится пренебрежимомалой с абсолютным значением температуры. Это позволяет характеризовать тем­пературу разогрева волокна одним, средним по поперечному сечению, значением.В соответствии с данной тепловой моделью в работе реализовано два типа измери­тельных стендов: для измерение установившейся средней по длине волокна температурыразогрева (что соответствует асимптотическому режиму (III)) и для измерения кинетики10изменения температуры в масштабе времён (I) c целью определения средней разницы тем­ператур сердцевины и оболочки, а также соответствующего приращения ПП в сердцевине.Измерение стационарного приращения температуры в активной среде волоконноголазера производится двумя оригинальными типами интерферометрических схем - воло­конным интерферометром Маха-Цандера и квадратурным волоконным интерферометромМайкельсона, в одно из плеч которых помещается активная схема волоконного лазера.В схеме интерферометра Маха-Цандера (рис.

4) изменение показателя преломления,Рис. 4. Схема экспериментальной установки: LD - диоды накачки ( - длина волны накачки), DFB источник зондирующего излучения ( = 1564 или 1304), ISO - оптический изолятор, = 1064 или 1540 длина волны лазерного излучения, PM - измеритель оптической мощности, PD1 и PD2 - фотоприёмники,HR, OC - волоконные брэгговские решётки (соответственно "глухие"и выходные), Spectral Filter - опти­ческая схема отделяющая зондирующее излучение от излучения лазерной генерации, Spectrum Analyzer- контроль спектра зондирующего излучения.возникающее при оптической накачке активной среды в одном из плеч вследствие разо­грева, приводит к изменению оптической разности хода волн зондирующего излучения, и,соответственно, интенсивности на выходе интерферометра: ∼ 0 (1 + cos ∆()),(4)где ∆() - изменение разности фаз в зависимости от времени, 0 - входная интенсивностьзондирующего излучения.

В качестве источника зондирующего излучения используютсяполупроводниковые DFB-лазеры, у которых длина когерентности излучения значительнопревышает разность длин плеч интерферометра, а длина волны лежит вдали от полоспоглощения активных ионов.Для измерения стационарной температуры разогрева в активной среде применяетсяметодика ступенчатого изменения мощности накачки: после быстрого изменения мощно­сти накачки производится регистрация интерферограммы зондирующего излучения вплотьдо момента установления стационарного значения разности фаз.Приведено описание процедуры калибровки стенда.

Калибровка осуществляется разо­гревом волокна одного из плеч интерферометра с помощью внешнего нагревателя и неза­висимым измерением температуры, для чего используются тонкие медные проволоки, рас­положенные вдоль исследуемых световодов и включённые в цепь мостика Уитстона.Основными величинами определяющими изменение оптического пути при разогревеодного из плеч являются фототермический коэффициент и температурный коэффи­циент расширения , в эксперименте же измеряется их суммарная величина + надлине 1.55 мкм, которая составила для пассивного одномодового волокна 1.23 · 10−5 −1 ,для активного иттербиевого волокна — 1.11 · 10−5 −1 , с точностью 0.5% в каждом случае.Описанная выше схема измерения температуры с помощью интерферометра Маха­Цандера обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к изменениям фазы в связи сбольшой длиной плеч интерферометра.