Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 12

Брэгговская решетка - этоучасток одномодового волоконного световода с периодической модуляцией показателя пре­ломления световедущей жилы вдоль оси световода. За счёт дифракции на периодическойструктуре возникает связь мод излучения, распространяющихся в противополжных направ­лениях, благодаря чему происходит полное или частичное спектрально-селективное отраже­ние падающей на решётку световой волны. Длина волны интерференционного отраженияудовлетворяет условию = 2Λ /,(2.1)где Λ — расстояние между слоями показателя преломления, — эффективный показательпреломления основной моды волокна, — порядок интерференции.Запись брэгговских решёток в сердцевине пассивного световода осуществляется помо­щью излучения УФ (чаще всего эксимерного) лазера, которое приводит к возникновениюцентров окраски в кварцевом стекле и модификации показателя преломления.

Наиболеераспространённым в производстве способом изготовления является метод тёмного поля с ис­пользованием фазовых масок (фазовых дифракционных решеток), представляющих собойпрозрачную кварцевую плоскопараллельную пластину с нанесенным на одной из ее сторонпрямоугольным рельефом. Излучение УФ лазера после прохождения этой пластины дифра­гирует в пучки разных порядков; в световоде, расположенном рядом с пластиной, в резуль­тате интерференции пучков света, например, первых порядков дифракции, может быть за­писана волоконная решетка с периодом, определяемым периодом прямоугольного рельефафазовой маски [118].В зависимости от длительности экспозиции можно регулировать коэффициент отраже­ния решётки. В большинстве случаев для формирования резонатора лазера используются57"глухая"решётка с высоким коэффициентом отражения (HR — High Reflection) и полупро­зрачная (OC — output coupler), через которую осуществляется вывод лазерного излучения.При использовании ВБР на одномодовых световодах волоконный лазер позволяет обеспе­чивать высокое качество пучка даже при использовании маломодовых активных волокон всвязи большими потерями для высших мод в пассивном световоде ВБР.Длина активного световода подбирается такой, чтобы обеспечивался высокий коэффи­циент поглощения накачки (чаще всего около 90%).

Накачка активной среды волоконного ла­зера осуществляется излучением полупроводниковых лазеров, которое предварительно фоку­сируется в многомодовый световод с кварцевой оболочкой и диаметром сердцевины 100 мкм.Возможно использование нескольких многомодовых лазеров накачки; при этом их излучениепространственно объединяется с помощью сплавного волоконного каплера (1x3, 1x7, 1x19),выходное волокно которого покрыто полимером со специально подобранным пониженнымпоказателем преломления для увеличения числовой апертуры выходного излучения [119].При сварке такого волокна с активным световодом каждый из световодов предварительнозачищается, а впоследствии место сварки также покрывается аналогичным полимером дляувеличения коэффициента ввода излучения накачки. Простейшая схема волоконного лазера,изготовленного таким способом приведена на рис. 2.1.Рис.

2.1. Оптическая схема простого волоконного лазера: LD - диоды накачки, HR, OC - волоконные брэг­говские решётки (соответственно "глухие"(HR) и выходные(OC))582.2. Методика исследования тепловых эффектов в волоконныхсветоводах и схема экспериментаИсследование тепловых эффектов возникающих в активных волоконных световодахпри мощной оптической накачке и лазерной генерации проводится на основе измерения тем­пературы разогрева в сердцевине активного волокна в этих условиях.

Для измерения тем­пературы применяется волоконная интерферометрия - активная среда волоконного лазерапомещается в одно из плеч интерферометра Маха-Цандера, сформированного при помощидвух одномодовых волоконных 50%-ных ответвителей. Изменение показателя преломления,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 ∆()),(2.2)где ∆() - изменение разности фаз в зависимости от времени, 0 - амплитуда интерферомет­рического сигнала. Схема экспериментального стенда приведена на рис. 2.2Рис.

2.2. Оптическая часть блок-схемы экспериментальной установки: LD - диоды накачки ( - длинаволны 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"(HR) и выходные(OC)),Spectral Filter - оптическая схема отделяющая зондирующее излучение от излучения лазерной генерации,Spectrum Analyzer - контроль спектра зондирующего излучения.Оптическая накачка активной среды осуществляется многомодовым излучением мощ­ных полупроводниковых лазерных диодов, объединённым при помощи волоконного «кап­лера».

В качестве источников зондирующего излучения используются полупроводниковыеDFB-лазеры с длиной волны излучения лежащей вдали от резонансного поглощения ак­тивных ионов, для того чтобы избежать поглощения или усиления в активной среде. Де­59тектирование зондирующего излучения осуществляется фотоприёмником PD2, с последую­щей дискретизацией сигнала внешним модулем АЦП и обработкой полученных данных наЭВМ. Для контроля спектра генерации DFB-лазеров (элемент Spectrum Analyzer на рис.2.2) использовалась оптическая схема гомодинного интерферометра (рис.

2.3). ИзмеряемыйРис. 2.3.контроляГомодинныйспектраинтерферометрзондирующегодляизлучения.RFSA - радиочастотный спектроанализатор, OSA- оптический спектроанализатор.радиочастотный спектр фототока пропорционален свёртке оптических спектров зондирую­щего излучения[120], что позволяет измерять его спектральную ширину. Измеренные такимобразом параметры излучения DFB-лазеров предствалены в табл.

2.11ДлинаШиринаволны, nmизлучения, МГц1564линииДлинакогерен-Тип выходного волокнатности, м2103PM(поддерживающееполяризацию)21304307Изотропное (SMF-28)Таблица 2.1. Параметры DFB-лазеров - источников зондирующего излученияДля защиты DFB-лазера от обратного отражения и искажения спектра зондирующегоизлучения использовался оптический изолятор, установленный на выходе лазера. Для спек­тральной фильтрации зондирующего излучения от лазерного излучения, генерируемого в ак­тивном плече, используется волоконный мультиплексор (WDM), либо схема, представленнаяна рис. 2.4. Здесь волоконная брэгговская решётка (ВБР) HR1 имеет высокий коэффициентотражения на длине волны зондирующего излучения , HR2 — на длине волны лазерногоизлучения . Данная схема уменьшает мощностьзондирующего излучения в 4 раза, но при этом осу­ществляет развязку от лазерного излучения до 40дБ в зависимости от параметров брэгговских решё­ток.Рис. 2.4.

Схема фильтрации зондирующегоизлученияДля измерения стационарной температурыразогрева в активной среде применяется следую­60щая методика. После быстрого изменения мощности накачки производится регистрация ин­терферограммы зондирующего излучения, т.е. зависимости мощности излучения от времени(рис. 2.5(а)). После некоторого промежутка времени изменение интенсивности становитсямедленным, и разность фаз стремится к своему стационарному значению. Из зависимостиразности фаз от времени можно определить среднее по длине активного волокна значениеприроста температуры в заданный момент времени:Z∆() =220 ( + )∆ (, ) =0 ( + )∆ср (),(2.3)0где 0 - показатель преломления сердцевины (плавленного кварца), — коэффициент ли­нейного расширения, - длина активной среды.

При установлении стационарного состоянияопределяется полное изменение фазы от начального до конечного состояния, после чего про­изводится следующее повышение мощности. Полная кривая зависимости разности фаз отвремени состоит из конечного набора таких "ступенчатых"измерений (рис. 2.5(б)). Такимобразом для заданного набора значений мощности накачки строится зависимость полногоизменения фазы и, соответственно, стационарной средней температуры от мощности накач­ки.

Основные этапы измерения и обработки данных продемонстрированы на рис. 2.5.Рис. 2.5. Методика эксперимента по измерению температуры в сердцевине волокна; а) Изменение во времениинтерференционного сигнала при ступенчатом изменении мощности накачки (моменты переключениямощности накачки на графике примерно 385 сек, 440 сек и 487 сек), б) Соответствующее изменение разностифаз в течение всего эксперимента, в) Зависимость стационарной средней температуры от поглощённоймощности накачки.Для управления мощностью излучения лазерных диодов накачки используется стандарт­ная схема источника тока, управляемого напряжением (рис.

??).612.3. Методика измерения2.3.1. Фазовая чувствительность и временные характеристики аппаратурыСледует заметить, что волоконные интерферометры на изотропном волокне с длинойплеч до нескольких метров чрезвычайно чувствительны к внешним колебаниям давленияи температуры, как за счёт непосредственного влияния на эффективный показатель пре­ломления основной моды, так и за счёт изменения состояния поляризации. Поэтому длястабилизации интерференционной картины оптическую схему интерферометра необходимопомещать в теплоизолированный термостат (рис. 2.2) и контролировать температуру окру­жающей среды с точностью до нескольких сотых градуса.

Для достижения максимальнойвидности интерференционной картины необходимо выравнивать длину плеч и потери мощно­сти на активных элементах и сварках волокон. В наших экспериментах длина плеч выравни­вается с точностью до 5 см, что минимум на два порядка меньше, чем длина когерентностизондирующих источников.По своим скоростным характеристикам интерференционная методика практически безы­нерционна в масштабах времён много больших времени прохождения света вдоль активнойсреды. Временные ограничения определяются полосой чувствительности фотоприёмника иинтервалом выборки значений во внешнем модуле АЦП. Для регистрации медленных измене­ний показателя преломления, обусловленных разогревом активного волокна, использовалисьинтервалы выборки от 5 до 100 мс.

Ширина полосы усиления трансимпедансного усилителя всхеме используемого фотоприёмника составляет 10 МГц. При необходимости в схеме на осно­ве АЦП быстродействующего микроконтроллера можно реализовать частоту дискретизации200 кГц.В процессе измерений происходит неконтролируемое медленное изменение видности ин­терференционной картины (амплитуды интерференционного сигнала (2.2)), связанное с дрей­фом состояния поляризации в одном из плеч интерферометра. Данные изменения учитыва­ются в алгоритме обработки полученных экспериментальных интерферограмм.2.3.2.