Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 2

Основной вклад при этом вноситсярезонансной фоторефракцией, возникающей в активной среде вследствие изменения населён­ностей энергетических уровней активных ионов при оптической накачке. Для получения пра­вильных оценок температуры разогрева активной среды с помощью интерферометрическойметодики необходимо учесть влияние данного механизма на величину изменения показате­ля преломления. Временные масштабы изменения показателя преломления для теплового ифоторефрактивного механизмов значительно отличаются, что и используется в настоящейработе для экспериментального разделения их вкладов при интерферометрических измере­ниях с импульсной оптической накачкой активной среды.Цель диссертационной работы Состоит в разработке метода измерения температу­ры в сердцевине активного световода в условиях лазерной генерации на основе волоконнойинтерферометрии, и использовании данного метода для исследовании зависимости темпе­ратуры разогрева от мощности накачки, параметров активной среды и теплоотвода.

Длядостижения данной цели решались следующей задачи:1. Разработка конфигурации экспериментального стенда на основе интерферометра, в од­ном из плеч которого помещена активная схема волоконного лазера, метода измеренийи обработки экспериментальных результатов измерений, а также автоматизация стен­да;2. Разделение вклада различных механизмов изменения показателя преломления светово­да при соответствующей адаптации экспериментального стенда.3. Численное моделирование разогрева и изменения показателя преломления активнойсреды при оптической накачке на основе скоростных уравнений и нестационарногоуравнения теплопроводности для сравнения с результатами эксперимента.Научная новизна.1.

Разработан экспериментальный стенд на основе волоконной интерферометрии для из­мерения in situ эффективной средней по длине температуры в сердцевине активного6световода в условиях генерации мощного лазерного излучения, и впервые проведеныизмерения температуры в этих условиях;2.

Впервые экспериментально измерялась зависимость эффективного коэффициента теп­лообмена активного волокна от разности температур волокна и окружающей средыпри естественном воздушном конвекционном охлаждении;3. Из сравнения результатов эксперимента с численным моделированием впервые демон­стрируется существенная зависимость разогрева иттербиевого световода от коэффици­ента нерезонансных потерь в сердцевине волокна, при этом мощность теплового источ­ника от резонансных и нерезонансных потерь может достигать сравнимых величин приизменении дифференциальной эффективности лазера менее чем на 8%;4.

На основе интерференционного метода с модуляцией накачки впервые эксперименталь­но измеряется эффективная разность температур сердцевины и оболочки активногосветовода в зависимости от мощности накачки, причём вклад электронного и тепловогомеханизма в изменение показателя преломления (ИПП) в данной методике разделяетсяэкспериментально за счёт использования лазерного резонатора в схеме интерферомет­ра;5.

Впервые проводятся измерения ИПП при оптической накачке в сердцевине Yb3+ /Er3+активных световодов;Практическая значимость.1. Разработан метод измерения среднего по длине приращения температуры в сердце­вине активных волоконных световодов в условиях генерации лазерного излучения, чтопозволило создать новые методы диагностики состояния активной среды волоконноголазера;2. Предложена методика по измерению эффективного коэффициента конвективного теп­лообмена световода, а также его зависимости от температуры световода и выполненоизмерение этой зависимости для иттербиевого волоконного лазера с целью уточненияпараметров тепловой модели;3. Предложена методика по измерению средней по длине разности температур сердцевиныи оболочки активного волокна в условиях лазерной генерации и выполнены измеренияэтой величины для Yb3+ и Yb3+ /Er3+ активных световодов c целью определения степенивлияния профиля неоднородности температуры на параметры излучения волоконноголазера.74.

Предложена интерференционная методика для исследования кинетики безызлучатель­ных переходов в активных средах на основе легированных кристаллов и стёкол, обла­дающая технологическими преимуществами для активных сред волоконной геометрии.На защиту выносятся следующие положения:1. Изменение показателя преломления в сердцевине Yb3+ и Yb3+ /Er3+ активных светово­дов возникающее за счёт разогрева в условиях стационарной лазерной генерации, болеечем на порядок превышает соответствующее изменение за счёт резонансной нелиней­ности показателя преломления, возникающее вследствие изменения населённости энер­гетических уровней;2. Для иттербиевых волоконных активных сред в ненасыщенном режиме изменение разно­сти показателей преломления сердцевины и оболочки за счёт резонансной нелинейностина порядок превышает аналогичную величину за счёт температурной неоднородности.Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на междуна­родных конференциях: 3rd, 4th and 5th International Symposium on High-Power Fiber Lasersand Their Applications (Laser Optics) (St. Petersburg, Russia: June 26-28, 2006; June 23-28,2008; June 28 - July 02, 2010); International Conference on Lasers, Applications and Technologies(ICONO/LAT) (Minsk, Belarus, May 28 - June 1, 2007; Kazan, Russia, August 23-26, 2010);Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEOr /Europe 2007) (Munich, Germany, June 17-22,2007); VII международная конференция "Лазерная физика и оптические технологии"(Минск,Беларусь, 17-19 июня, 2008); 3rd EPS-QEOD Europhoton Conference (Paris, France, August31 - September 5, 2008); 34th European Conference on Optical Communication (ECOC’2008)(Brussels, Belgium, September 21-25, 2008); Progress in Electromagnetic Research Symposium(Shanghai, China, August 8-11).Публикации.

Результаты работы опубликованы в 5 статьях рецензируемых научныхжурналов из перечня ВАК [1–5], 2 статьях в сборниках трудов международных конференций[6, 7], сделано 11 докладов на международных научных конференциях [8–18], а также опуб­ликовано 5 статей в трудах конференций МФТИ «Современные проблемы фундаментальныхи прикладных наук».Личный вклад автора заключается в участии в разработке методов исследования,проведении численных расчетов и экспериментальных измерений, в написании научных ста­тей и их подготовке к публикации. Все использованные в диссертации экспериментальные8результаты, описанные в главах 2-4, получены автором лично или при определяющем его уча­стии.

Материалы, представленные в работе, получены в результате экспериментальных ис­следований, выполненных автором на кафедре фотоники (базовая организация НТО "ИРЭ­Полюс") факультета физической и квантовой электроники МФТИ, а также лаборатории №228 ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав,списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы, списков обо­значений, иллюстраций и таблиц.

Работа содержит 156 страниц, 58 рисунков, 11 таблиц исписок литературы, включающий 117 источников.9Глава 1Обзор литературы1.1. Физические основы функционирования твердотельных иволоконных лазеров1.1.1. Твердотельные лазеры с оптической накачкой и проблема тепловыхэффектовДля феноменологического описания взаимодействия излучения с веществом А. Эйн­штейном [19] были рассмотрены три фундаментальных физических процесса, ответственныеза рождение и уничтожение фотонов: спонтанное излучение, поглощение и вынужденноеизлучение.

Последнее, при наличии в среде части атомов или иных квантовых систем, на­ходящихся в метастабильном состоянии, приводит к усилению монохроматического сигнала,если его частота совпадает с частотой одного из возможных квантовых переходов. При этомусиленное излучение по частоте, фазе и поляризации совпадает с падающим. При созда­нии в такой среде обратной связи, из-за наличия спонтанных фотонов возникает генерациякогерентного электромагнитного излучения.Одна из главных задач лазерной физики, имеющая большое практическое значение —поиск активных сред и создание технологий для эффективного преобразования различныхвидов энергии в когерентное излучение оптического диапазона (лазерное излучение). Для пе­ревода атомов активной среды в метастабильное состояние используются различные способынакачки.Широкое распространение получила т.н.

оптическая накачка, при которой возбуждениесреды осуществляется вспомогательным излучением. Данный способ накачки применяетсяв основном к твердотельным лазерным средам, активные элементы (АЭ) которых представ­ляют собой прозрачные (на длине волны лазерного излучения) диэлектрики, легированныеионами химических элементов с недостроенными внутренними электронными оболочками(3d в случае переходных металлов, или 4f - в случае лантаноидов).

Переходы осуществляют­ся между электронными уровнями примесей, для возбуждения активной среды используетсяоптическая накачка вспомогательным излучением газоразрядной лампы-вспышки, либо дру­гого лазера. С использованием данного принципа реализован исторически первый лазер -10лазер на рубине, предложенный Т.Мейманом в 1960 г. [20].Как показано в упомянутой работе [19], в двухуровневой среде с невырожденными уров­нями коэффициенты Эйнштейна для вынужденного поглощения и излучения оказываютсяравны друг другу.