Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 14

2.10). Как видно из рисунка эти зависимостиоказываются с высокой точностью линейными. Коэффициенты наклона прямых равны для= 14.36 ± 0.08 рад/K, для активного —= 12.97 ± 0.06 рад/K,пассивного волокначто соответствует температурным коэффициентам оптического пути + для пассивноговолокна (1.23 ± 0.01) · 10−5 −1 , для активного — (1.11 ± 0.01) · 10−5 −1 .67Рис.

2.10.Зависимостьразностифазоттемпературы для пассивного и иттербиевогоактивныхволоконвкалибровочныхэкспериментах.В дальнейшем мы будем пользоваться значением, полученным для иттербиевого актив­ного волокна, хотя возможны отклонения данной величины в измеренных пределах в зависи­мости от состава легированной сердцевины. Небольшое различие этих величин для активногои пассивного волокон (10%), как мы увидим далее, несущественно при определении порядковвеличин изменения температуры в различных временных масштабах и условиях теплоотвода.Ошибку можно скорректировать, вводя поправочный коэффициент при калибровке каждо­го конкретного волокна.

Само же значение температурного коэффициента оптического, каквидно из рис. 2.10, можно измерить с очень высокой точностью.2.5. Исследуемые образцы активных схемДля исследования тепловых эффектов использовались активные фосфорсиликатные све­товоды, легированные ионами Yb3+ и Yb3+ /Er3+ , и алюмосиликатные световоды, легирован­ные ионами Er3+ . Иттербиевые и иттербий-эрбиевые волокна представляют собой двойныесветоводы с внешней полимерной волноведущей оболочкой, по типу изображённых на рис.1.12. Геометрические параметры волокон представлены на рис. 2.11 и табл.

2.2. Толщина по­лимерной оболочки в представленной конфигурации составляет ℎ = 115÷135 мкм. Указан­ные параметры световодов являются ориентировочными для того чтобы дать представлениео порядках величин. Точные значения для каждого из исследуемых волокон, в случае, еслиони не совпадают с приведёнными в таблице, будут указаны отдельно.68Рис. 2.11.Геометриядвойноговолокна.Поперечное сечение активного и пассивноговолокон, находящихся в оптическом контакте.Кварцевые световоды в полимерной оболочке.

— диаметр волноведущей сердцевины — диаметр легированной части0 — радиус кварцевой оболочкиℎ — толщина полимерной оболочки.АктивнаяКонцентрация,ДиаметрДиаметр жилыΔ,Поглощениесредаppmлегированнойволновода10−3накачки, дБ/мжилы , мкммкм,Yb3+42001017141.2Yb3+ /Er3+5700/2901516162.9Er3+2002.52.57.54Таблица 2.2. Основные параметры исследуемых активных световодовЭрбиевое волокно, указанное в последней строке таблицы 2.2, представляет собой обыч­ное одинарное цилиндрически-симметричное волокно со ступенчатой геометрией профиляпоказателя преломления и легирования. Данное волокно предназначено для использованияв эрбиевых волоконных усилителей с одномодовой накачкой и будет использоваться для ис­следования процессов безызлучательной релаксации электронных возбуждений (раздел 4.5).2.6.

Квадратурный интерферометр МайкельсонаОписанная выше схема измерения температуры с помощью интерферометра Маха-Цан­дера обладает рядом существенных недостатков:1. Невозможность провести измерения при высоких мощностях генерируемого лазерно­го излучения (порядка нескольких десятков ватт), в связи с деградацией выходногоодномодового 50%-ного ответвителя и прочих одномодовых оптических элементов;2.

Неоднозначность восстановленных значений фазы в связи с тем, что синус - немонотон­69ная функция;3. Высокая амплитуда шумов при больших мощностях накачки, которая, во многих слу­чаях не позволяет выделить интерференционный сигнал.Согласно второму пункту, измерения будут оправданы только в условиях теплоизоляции примонотонном изменении температуры, в то время как в реальных условиях значения темпе­ратуры в сердцевине волокна подвержены флуктуациям в связи с изменением температурыокружающей среды. Для преодоления указанных выше недостатков была реализована схе­ма квадратурного интерферометра Майкельсона на основе синхронного детектирования сраздельными амплитудной и фазовой модуляциями (рис.

2.12).Рис. 2.12. Схема экспериментальной установки: LD — диоды накачки ( - длина волны накачки), DFB— источник зондирующего излучения ( = 1304), ISO — оптический изолятор, = 1064 — длина волнылазерного излучения, PD — фотоприёмник, HR, OC — волоконные брэгговские решётки (соответственно"глухие"и выходные), PM — фазовый модулятор, WDM — волоконно-оптический мультиплексор, и — радиочастотные генераторы ответственные за амплитудную и фазовую модуляцию, и —настроенные на соответствующие частоты синхронные детекторы.Интерферометр Майкельсона сформирован при помощи одного 50%-ного ответвителя.Для наблюдения интерференции зондирующего излучения используется 4%-ное френелев­ское отражение от прямых сколов на выходных торцах волокон.

Благодаря этому большаячасть лазерного излучения испускается с прямого скола на выходной брэгговской решётки,не повреждая остальные оптические элементы. Дополнительная фильтрация лазерного излу­чения обеспечивается мультиплексором, расположенным перед глухой решёткой резонатора,а также дополнительной ВБР расположенной перед фотоприёмником.Излучение DFB-лазера, модулированное по интенсивности на некоторой частоте, послепрохождения интерферометра, регистрируется схемой на основе синхронного детектирова­70ния. Данный метод позволяет проводить измерения температуры в условиях шумов, вы­званных случайными флуктуациями фазы зондирующего при двойном проходе активного ипассивного плеч интерферометра.Использование раздельных амплитудной и фазовой модуляций на различных частотахΩ и Ω в совокупности c синхронным детектированием позволяет выделить синфазную иквадратурную компоненты интерференционного сигнала.

А именно, амплитуда поля зонди­рующего излучения в общем случае будет иметь вид:(︀)︀ ∼ (1 + sin Ω ) (+Δ()) + (+ sin Ω ) ,(2.9)где , ≪ 1 - глубины, соответственно, амплитудной и фазовой модуляций. Интенсив­ность зондирующего излучения зависит от времени как: ∼ * ∼ + 2 sin Ω cos ∆() + sin Ω sin ∆() + . . .(2.10)здесь троеточие обозначает члены более высокого порядка малости по и . Настраиваясинхронные детекторы на соответствующие частоты модуляции, мы получим амплитудыпропорциональные косинусу и синусу разности фаз.

Это позволяет нам определять знакизменения фазы и однозначно восстанавливать полную зависимость от времени. Примерфигуры Лиссажу, полученной при измерениях приведён на рис. 2.13. Здесь по оси абсциссотложена амплитуда сигнала фазовой модуляции, по оси ординат - амплитудной.Обработка измеренных значений осуществ­ляется очевидным образом: определение центрамасс фигуры Лиссажу и вычисление угла отно­сительно оси абсцисс для каждой точки с учё­том направления обхода (по или против часовойстрелки).Определённые требования накладываютсяна фазовый модулятор в опорном плече.

Он дол­Рис. 2.13. Фигура Лиссажу для измеряемыхжен быть, во-первых, поляризационно-независи­квадратурных компонент интерференционногосигналамым, поскольку все элементы интерферометравыполнены из изотропных волокон, а дополнительная анизотропия модулятора может при­водить к поляризационному замиранию сигнала. Во-вторых, модулятор должен быть чистофазовым, поскольку дополнительная амплитудная модуляция приводит к "сплющиванию"фигуры Лиссажу и уменьшению видности интерференционной картины.71Для удовлетворения двум этим требованиям модулятор был реализован в виде пьезоке­рамического диска с металлизированными боковыми поверхностями, на одну из которых понатяжением приклеивался участок волокна из опорного плеча (рис.

2.14)При реализации схемы синхронного детек­тирования, частота модуляции выбиралось рав­ной одной из собственных частот пьезорезонан­са, обеспечивавшего наибольшую амплитуду сиг­нала фазовой модуляции.С точки зрения программной автоматизацииРис. 2.14. Конструкция фазового модулятораизменения сводятся к необходимости регистра­ции одновременно двух интерферограмм и модификации алгоритма обработки результатов,вызываемого при нажатии кнопки "Process Data..." в программе измерений.

Алгоритм обра­ботки в этом случае работает с двумерной диаграммой (такой как на рис. 2.13) и состоит изследующих этапов:1. Усреднение всех значений синфазной и квадратурной амплитуд для поиска центра эл­липса;2. Поиск направлений большой и малой полуосей эллипса и "сплющивание"его до окруж­ности;3. Вычисление оптической фазы по углу наклона радиус-вектора каждой точки и сшивказначений для получения непрерывной кривой.Измерения на данной экспериментальной установке проводились только для иттербие­вого волоконного лазера.2.7. ВыводыПредложен метод измерения температуры и реализованы экспериментальные стендына основе волоконных интерферометров Маха-Цандера и Майкельсона с активной схемойволоконного лазера, помещённой в одно из плеч интерферометра, и с использованием дли­ны волны зондирующего излучения, лежащей вдали от полос поглощения активных ионов.Выполнена калибровка интерферометра, которая позволила определить температурный ко­эффициент показателя преломления для активного иттербиевого световода, равный =721.11 · 10−5 −1 .

При этом абсолютная точность измерения фазы составила 0.1 рад, что экви­валентно 0.008 K, а относительная – 0.5%.В схеме с интерферометром Майкельсона в качестве зеркал используется отражениеот прямых сколов волокна, также применяется синхронное детектирование с раздельнойамплитудной и фазовой модуляциями, что позволяет выделить синфазную и квадратурнуюкомпоненты интерференционного сигнала.С точки зрения чувствительности применение интерферометра Маха-Цандера будет вы­годнее, чем интерферометра Майкельсона описанного типа. Во-первых, мощность зондиру­ющего излучения, приходящего на фотоприёмник больше, чем при отражении от прямыхсколов в интерферометре Майкельсона (потери минимум 14 дБ + двойной проход резонато­ра).

Во-вторых, длина оптического пути для случая интерферометра Майкельсона будет вдва раза выше, вследствие этого, влияние окружающей среды на шумовые колебания интер­ферограммы будет больше.По совокупности указанных причин измерения, описываемые в следующей главе, будутподелены таким образом: с помощью схемы с интерферометром Маха-Цандера выполненыизмерения температуры при небольших мощностях накачки, определены особенности разо­грева до и после порога лазерной генерации, проведены измерения скорости разогрева волок­на, обусловленные конвективным теплообменом с окружающей средой, при этом измерениябудут производится в виброизолированном термостате достаточно большого объёма; в схемес интерферометром Майкельсона выполнены измерения при больших мощностях накачки,существенно превышающих пороговую мощность, и при отсутствии какого-либо термостата.73Глава 3Стационарный разогрев активных волоконных световодовв условиях оптической накачки3.1.