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

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники иэлектроники им. В.А. Котельникова РАН.На правах рукописиГайнов Владимир ВладимировичОптическая интерферометрия кварцевого волоконногосветовода легированного редкоземельными ионами вусловиях генерации лазерного излучения01.04.21 – Лазерная физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительк. ф.-м.

н., доц. МФТИРябушкин О.А.Фрязино – 2016СодержаниеВведение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1.1.1.Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10Физические основы функционирования твердотельных и волоконных лазеров101.1.1.1.2.1.3.Твердотельные лазеры с оптической накачкой и проблема тепловыхэффектов . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101.1.2.Оптическая спектроскопия редкоземельных ионов в стёклах . . . . . .151.1.3.Особенности процессов безызлучательного переноса возбуждения в ит­тербиевых и иттербий-эрбиевых активных средах . . . . . . . . . . . .19Технологические особенности волоконных лазеров и усилителей . . .

. . . . .261.2.1.Развитие технологии волоконных лазеров . . . . . . . . . . . . . . . .261.2.2.Способы ввода оптической накачки в световоды . . . . . . . . . . . . .311.2.3.Профиль показателя преломления и легирования световодов . . . . .341.2.4.Механизмы изменения профиля показателя преломления при оптиче­ской накачке . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36Разогрев активной среды в условиях оптической накачки . . . . . . . . . . . .361.3.1.Термооптические искажения лазерного излучения и параметров актив­ной среды твердотельных лазеров на кристаллах и стёклах . . . . . .1.3.2.1.3.3.51Нелинейность показателя преломления в условиях резонансного оптическоговозбуждения . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53Волоконная интерферометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55Глава 2.2.1.46Обзор экспериментальных работ по измерению температуры активныхволокон в условиях лазерной генерации . . . . . . . . . .

. . . . . . . .1.5.43Обзор тепловых эффектов в активных волоконных световодах, пред­ставленных в литературе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.4.37Принципы измерения температуры в активных элементах твердотель­ных лазеров . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.4.5Оптическая интерферометрия активной среды волоконного лазера 57Изготовление волоконного лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2572.2.Методика исследования тепловых эффектов в волоконных световодах и схемаэксперимента2.3.. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59Методика измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .622.3.1.Фазовая чувствительность и временные характеристики аппаратуры .622.3.2.Алгоритм обработки экспериментальных данных . . . . . . . . . . . .622.3.3.Блок схема экспериментальной установки для реализации алгоритмаизмерений в автоматическом режиме . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .642.4.Калибровка экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .662.5.Исследуемые образцы активных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .682.6.Квадратурный интерферометр Майкельсона . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .692.7.Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72Глава 3.Стационарный разогрев активных волоконных световодов в услови­ях оптической накачки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .743.1.74Модель разогрева активного волокна при оптической накачке . . . . . . . . .3.1.1.3.1.2.3.2.Разогрев циллиндрически-симметричного световода со ступенчатымпрофилем легирования . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Разогрев двойного волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78Квазистационарный разогрев I. Измерения для Yb3+ и Yb3+ /Er3+ лазеров с по­мощью интерферометра Маха-Цандера . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .3.2.1.3.2.2.3.3.Особенности теплового режима активного волокна вблизи порога ге­нерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83Кинетика разогрева волокон в регулярном тепловом режиме . . . . .88Квазистационарный разогрев II. Измерения для Yb3+ лазеров с помощью квад­ратурного интерферометра Майкельсона . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .3.3.1.3.3.2.3.4.8090Разогрев волокна многомодовым излучением накачки и одномодовымлазерным излучением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90Разогрев активного волокна в условиях лазерной генерации . . . . . .91Численные оценки продольного распределения температуры и влияния пас­сивных потерь на разогрев активного волокна .

. . . . . . . . . . . . . . . . .933.4.1.Модель волоконного лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .933.4.2.Определение параметров модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .963.4.3.Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .9733.5.Температурная зависимость коэффициента конвекционного теплообмена . . .3.6.Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Глава 4.99Кинетика изменения показателя преломления и разогрев сердцеви­ны активного волокна в условиях оптической накачки . . . .

. . . . . . . . 1044.1.Цель и методика измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.2.Оценки вклада электронных ИПП от основных лазерных переходов редкозе­мельных ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.3.Кинетика изменения показателя преломления в активных световодах при оп­тическом возбуждении ионов иттербия . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.4.Кинетика изменения показателя преломления активных световодов, легиро­ванных ионами Yb и Er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.5.Исследование кинетики безызлучательной релаксации в активной среде интер­ферометрическим методом . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.6.Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

128Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Список публикаций по теме диссертации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 134Список обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150Список иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 152Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1564ВведениеАктуальность работы. Волоконные лазеры на основе активных световодов из плав­леного кварца, легированного ионами Yb3+ , на сегодняшний день являются самыми яркимиисточниками излучения среди всех твердотельных лазеров. Основным фактором, определяю­щим уникальные характеристики такого лазера является использование в качестве активнойпримеси ионов Yb3+ . Это позволяет получить минимальное тепловыделение за счёт малойразницы энергий квантов накачки и лазерного излучения, обусловленной особенностями энер­гетической структуры уровней ионов Yb3+ в кварцевом стекле.

Значительными преимуще­ствами волоконного лазера являются высокая лучевая стойкость и оптическая прозрачностькварцевого стекла, изготовленного по методу MCVD, а также геометрия активной среды,обладающая большим соотношением площади поверхности к объёму, что обеспечивает эф­фективный теплоотвод. При мощностях лазерного излучения от 100 Вт и более происходитсильный разогрев и изменение свойств активной среды. Изменение параметров излученияволоконного лазера может происходит вследствие многих механизмов: изменение профиляпоказателя преломления и модового состава активного световода, развитие нелинейных эф­фектов, изменение спектроскопических свойств активной среды вследствие разогрева, разру­шение волоконного световода вследствие деградации полимерного покрытия или достижениялучевой прочности кварцевого стекла.

Таким образом, исследование параметров состоянияактивной среды волоконного лазера в процессе лазерной генерации является важной научнойи 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 диаметром неболее 20 мкм при длине световода несколько десятков метров) является основной причи­ной того, что до последнего времени отсутствовали экспериментальные методы измеренияеё температуры. Одним из важных критериев предъявляемых к методике является возмож­ность выполнения измерений при любых условиях теплоотвода (именно с целью поиска оп­тимальных условий), а также отсутствие влияния на состояние активной среды в условияхлазерной генерации.

В полной мере этим критериям удовлетворяет интерферометрическийметод, представляемый в настоящей диссертационной работе. Изменение температуры актив­ной среды приводит к изменению показателя преломления в сердцевине световода, которое5можно измерить с помощью интерферометра, в одно из плеч которого помещена активнаясхема волоконного лазера.

Использование зондирующего излучения, лежащего вдали от по­лос поглощения активных ионов в кварцевом стекле позволяет проводить измерения в любомрежиме работы волоконного лазера, а большая протяжённость активной среды обеспечиваетвысокую амплитуду интерференционного сигнала.Помимо влияния температуры изменение показателя преломления сердцевины происхо­дит также вследствие различных нелинейных эффектов.