Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 11

В качестве измерителя использовался световод с записанным внём последовательным массивом волоконных брэгговских решёток, находящийся в тепловомконтакте с исследуемым активным волокном. Температура сенсора определалась по измене­нию спектров отражения зондирующего излучения, а расчёт температуры непосредственнов жиле и оболочках осуществляется численными методами.В работе [103] массив волоконных брэгговских решёток записывался непосредственнов сердцевину активного волокна при помощи фемтосекундных лазерных импульсов. Измере­ние температуры в этом случае производилось аналогичным образом по измерению спектровотражения.В ряде работ сотрудников университета Лос-Аламоса по разработке устройств твердо­тельного лазерного охлаждения, в частности в [104], для измерения температуры в охлаждае­51мом участке световода Yb3+ :ZPLANB использовалась зависимость однородной ширины спек­тра спонтанной люминесценции от температуры.

Насколько известно автору, для измерениятемпературы в активной среде мощных волоконных лазеров данный метод не использовался.Из недостатков перечисленных методов измерения следует указать, тепловизорные из­мерения требуют дополнительной дорогостоящей аппаратуры, а контактные методы измере­ния реализуются только в конкретных фиксированных условиях теплоотвода, при этом этомсам измеритель эти условия искажает. Спектральные методы являются перспективными спо­собами измерения температуры, но при записи волоконных решёток в сердцевине волокнавозникают дополнительные потери излучения за счёт рассеяния на индуцированных дефек­тах и центрах окраски, что может привести к повреждению активного волокна при работена сверхвысоких мощностях лазерного излучения.От этих недостатков свободен интерференционный метод, впервые реализованный дляактивных волокон в [105] и излагаемый далее в данной работе. За счёт измерения показателяпреломления и температуры непосредственно в жиле, данный метод можно применять влюбых условиях теплоотвода и, таким образом, проводить сравнение их эффективности.Временные ограничения интерферометрических измерений были указаны выше.

Основнойнедостаток данного метода - возможность измерения только средней по длине температурыволокна, при этом продольное распределение температуры необходимо оценивать отдельнов каждом конкретном случае.По-видимому, основной причиной, из-за которой интерференционные методики не ис­пользовались ранее, является чрезвычайно высокая чувствительность волоконных интерфе­рометров с большой длиной плеч (несколько метров) к изменению температуры и давленияокружающей среды, поэтому постановка эксперимента должна включать в себя тщательнуюстабилизацию этих параметров.

Дополнительные трудности может создавать поляризацион­ная нестабильность изотропных активных волокон.Поскольку волоконный интерферометр измеряет не температуру, а изменение постоян­ной распространения основной моды волоконного световода, то при обработке результатовизмерений необходимо учитывать влияние различных механизмов ИПП при оптической на­качке активной среды и её взаимодействие с лазерным излучением.

Один из таких механиз­мов указан в предыдущем разделе и подробно рассматривается в следующем.521.4. Нелинейность показателя преломления в условиях резонансногооптического возбужденияППП в волокне определяется в общем случае комплексной восприимчивостью активнойсреды:( − ) = 1 + 4 ,ˆˆ = + ,(1.41)где — коэффициент экстинкции, и — действительная и мнимая части диэлектрическойвосприимчивости, связанные между собой соотношением Крамерса-Кронига:1 () = ∞Z (′)′, − ′(1.42)−∞где – интеграл в смысле главного значения. Данные величины формируются из вкладовсобственно кварцевого стекла SiO2 , примесей, формирующих ППП (P, Ge, Al), неконтрол­лируемых примесей (ионы переходных металлов, гидроксильные группы OH− ) и активныхредкоземельных ионов ионов.

Оптическое поглощение обусловлено краями ультрафиолето­вой и инфракрасной полос поглощения в SiO2 и примесей и резонансного поглощения светаактивными ионами. В современных активных волокнах при концентрациях активных ионов<1 мол.% и P2 O5 < 12 мол.% пассивные потери лазерного излучения составляют не более 13дБ/км.При резонансном поглощении излучения происходит изменение населённости электрон­ных уровней активных ионов и, соответственно, изменение поляризации активной среды.Данный механизм здесь и далее будет называться электронным резонансным механизмомИПП. В классической модели восприимчивость среды (в данном случае подсистемы примес­ных РЗ ионов) определяется амплитудой суммарного дипольного момента набора осциллято­ров с собственными резонасными частотами .

Для совокупности осцилляторов с однородноуширенными линиями переходов связь между показателем преломления на частоте и на­селённостью уровней определяется с учётом локального поля по формуле Лорентц-Лоренца:( − )2 − 14 ∑︁=ˆ () ,( − )2 + 23 2 ∑︁ˆ () =,2 − 2 + Γ53(1.43)(1.44)где ˆ () — комплексная поляризуемость атома (РЗ-иона) в i-м состоянии на частоте , —населённость i-го состояния, Γ , — коэффициент затухания и сила осциллятора соответ­ствующего перехода. Последние две величины – феноменологические; в микроскопическоймодели коэффициент затухания Γ соответствует обратному времени поперечной релаксациидля данного перехода. Сила осциллятора определяется как отношение скорости релаксациивозбуждёного состояния, задаваемой коэффициентом ЭйнштейнаЭ= 1/ , к скорости зату­хания классического осциллятора с частотой в расчёте на одну степень свободы:| | =1 1 3=3 22 2(1.45)Причём для переходов с испусканием фотона < 0, а с поглощением фотона — > 0, = − ,(1.46)где , — кратности вырождения уровней [106].Для малых приращений показателя преломления (|∆| ≪ ) (1.43) удобно записать ввиде:22 ∑︁∆ =∆ ,(1.47)2 + 2— фактор локального поля, ∆ — разность поляризуемостей основного и i-го3возбуждённого уровня.

В случае, если происходит изменение населённости только основногогде 2 =и метастабильного уровней, то в (1.47) остаётся единственное слагаемое, пропорциональное2 .Исследование электронного механизма ИПП как в твердотельных, так и волоконныхлазерных средах было проведено в большом количестве работ, начиная с 90-х гг.

[82, 107–116](cм. также обзор [34]). Изучение данного явления представляет интерес в твердотельных сре­дах в связи с влиянием индуцированой «электронной» линзы на параметры лазерного пучка[108, 113, 115, 116], а в волоконных — в связи с возникновением резонансной дисперсии вэрбиевых усилителях при оптической накачке [109, 112, 114], а также для применения вустройствах оптического переключения (optical switching) и когерентного сложения сигнала(coherent beam combining) [34, 107, 110, 111]. В экспериментах с использованием различныхконфигураций объёмных и волоконных интерферометров, таких как Маха-Цандера, Май­кельсона, интерферометр на волокне с двойной жилой (Twin-Core Fiber), были полученызначения ИПП и соответствующие силы осцилляторов переходов, а также их зависимостиИПП от длины волны.54Исходя из литературных данных, преобладающий вклад в ИПП (в том числе и вблизирезонанса активных ионов), в соответствии с разложением (1.44), дают дипольно-разрешён­ные переходы с малым временем жизни и, соответственно, с большей силой осцилляторачем у лазерных переходов.

Для рассматриваемых редкоземельных ионов в кварцевом стек­ле такими являются электронные переходы в состояние с 51 -конфигурацией, лежащие вультрафиолетовой области спектра (см. рис. 1.3).∆ = ∆12 + ∆4 −5 ,∆12 ≪ ∆4 −5(1.48)В настоящий момент для ионов Yb3+ приближение (1.48) считается твёрдо установленнымфактом, в то время как для эрбиевых активных сред в литературе встречаются противоре­чивые данные (ср.

[34] и [112]).При интерферометрическом измерении температуры в активном волокне необходимоучитывать и вклад электронного механизма ИПП, вследствие чего необходимо отдельноеисследование и количественная характеризация данного эффекта, основанная на измеренииразности поляризуемостей активных ионов в волоконных световодах. Подобные измерениятакже выполнены в настоящей работе.1.5.

Волоконная интерферометрияВ настоящей главе нами были рассмотрены два важных применения волоконной опти­ки:1. Мощные промышленные волоконные лазеры для материалообработки2. Активные и пассивные световоды для волоконно-оптических линий связиВ связи с выбранным нами методом исследования следует также обратиться к третьемуважному применению оптических волокон — датчики (сенсоры) физических величин. В дан­ном контесте имеются ввиду применения оптического волокна в качестве чувствительногоэлемента, а не просто для доставки анализируемого излучения в фотоприёмное устройство.Основные параметры электромагнитного излучения, которыми можно управлять - этоамплитуда, частота, фаза и поляризация излучения. Конструктивных возможностей для реа­лизации различных типов сенсоров оказывается бесчисленное множество (достаточно обшир­ное описание можно найти в справочнике [117]); к нашей работе прямое отношение имеютфазочувствительные датчиков.55Основным методом для регистрации фазы излучения является интерферометрия, и за­дача конструирования датчика фазы сводится к разработке необходимой интерферометри­ческой схемы.

При реализации схемы интерферометра в основном используется волоконнаяконфигурация одной из известных схем интерферометров на объёмных оптических элемен­тах, но возможны также различные нетривиальные конфигурации, обусловленные волновойприродой распространения излучения в световодах, такие как:1. Интерферометр на основе изогнутого волокна. Изменение фазы оптического сигналапроисходит непосредственно за счёт влияния внешней среды на постоянную распро­странения основной моды.2. Интерферометр Фабри-Перо, образующийся за счёт взаимодействия моды сердцевиныи оболочки3. Двухмодовые волоконно-оптические интерферометры.4. Распределённые интерферометрические датчики на основе когерентного релеевскогорассеяния56Глава 2Оптическая интерферометрия активной средыволоконного лазера2.1. Изготовление волоконного лазераПростейший тип волоконного лазера с резонатором типа Фабри-Перо представляет со­бой участок активного световода сращенный сплавным методом (далее - «сваренный») cдвумя зеркалами - волоконными брэгговскими решётками (ВБР).