Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 23

Также, в связи с высокой частотой повторения импуль­сов, мы пренебрегаем влиянием тепловых эффектов на ИПП, которые, как было показаноранее, имеют место на существенно больших временных масштабах.Для всех четырёх кинетик указанная аппроксимация даёт значение для постоянной вре­мени = 13 ± 0.1 мкс. Эта величина и принимается равной времени безызлучательнойрелаксации для состояния 4 11/2 ионов Er3+ в исследуемом волокне.По порядку измереннаявеличина соответствует времени безызлучательной релаксации для аналогичных типов ак­тивных сред [35? ].

Точное значение для данного конкретного типа волокна авторамнайти не удалось.Для оценки величины отклика среды при селективном возбуждении этого состоянияаппроксимируем средние по длине активного волокна населённости уровней следующимизависимостями:⎧(︀(︀)︀)︀⎨ 4 () = 40 + ∆ 1 − −/ −/⎩ () = ∆ −/ 3для терма 4 13/2 ,4для терма 11/2 ,125(4.23)где 40 – начальная (до импульса накачки) и конечная населённость метастабильного уров­ня, ∆ – прирост населённости уровня 4 11/2 при импульсном возбуждении, = 10– излучательное время жизни ионов Er3+ в метастабильном состоянии. Подставляя данныевыражения в (1.47) и сравнивая получившееся выражение с аппроксимацией (4.22), для па­раметров аппроксимации можно получить следующее соотношение:04+1Δ=, (1 − Δ31/Δ21 ) (4.24)где ∆31 и ∆21 – разность поляризуемостей между состояниями 4 11/2 и 4 13/2 , соответственно,и основным состоянием. Значение величин40/Δможно получить из осциллограмм интен­сивности спонтанной люминесценции.

Для проведённых четырёх серий измерений мы полу­чили отношение разностей поляризуемостей:Δ31/Δ21= 1.84 ± 0.15. Отметим, что равенствознаков разностей поляризуемостей также указывает на преобладающий вклад более высо­коэнергетичных переходов по сравнению с используемыми в трёхуровневой схеме накачкиионов Er3+ .Следует также заметить, что в подобных условиях эксперимента, сигнал интерференциизондирующего излучения является существенно более информативным по сравнению с ки­нетикой люминесценции с метастабильного уровня (см. рис. 4.14). При этом для получениязначения времени перехода с достаточной точностью требуются чрезвычайно малые величи­ны энергий импульса накачки (порядка нескольких мкДж). Таким образом, при грамотнойпостановке эксперимента, применяемая методика может являться мощным инструментомдля исследования процессов динамики поляризуемости и электронных переходов в активныхсредах, позволяющим значительно снизить требования на мощность источников накачки ичувствительность приёмной аппаратуры.4.6.

ВыводыВыполнено измерение кинетики изменения показателя преломления (ИПП) в иттерби­евый и иттербий-эрбиевых световодах на основе схемы инерферометра с модулированнойоптической накачкой. Вклад теплового и электронного механизмов ИПП разделён экспери­ментально, поскольку после достижения порога генерации инверсия принимает стационарноезначение и последующее ИПП обусловлено преимущественно тепловым механизмом.На основе измерения кинетик разности фаз определена разность поляризуемостей дляосновного и метастабильного уровня ионов Yb3+ в фосфорсиликатных активных световодах126на длине волны 1.55 мкм: ∆ = (2.6 ± 0.4) · 10−26 см3 .

На основе подхода скоростных урав­нений выполнено моделирование динамики населённостей лазерных уровней в активной ит­тербиевой среде, и, с помощью полученного значения разности поляризуемостей, полученоудовлетворительное согласие расчётных и экспериментально измеренных кинетик разностифаз.По измерениям кинетики ИПП после достижения порога лазерной генерации определёнкоэффициент, соответствующий среднему по длине активного волокна приросту разности∆температур сердцевины и оболочки в расчёте на 1 Вт мощности накачки:= 0.38 ·∆10−2 /Вт.Аналогичные измерения и вычисления выполнены для с Yb3+ /Er3+ -световодов, при этомдля оценки ИПП до порога генерации необходимо учитывать как вклад электронного ме­ханизма от обоих типов ионов, так и тепловой вклад в связи со значительным разменомквантов накачки и лазерного излучения.

Выполнено моделирование тепловыделения на ос­нове нестационарного уравнения теплопроводности и динамики населённостей на основе ско­ростных уравнений с учётом процессов переноса электронного возбуждения между иона­ми Yb3+ и Er3+ . Для разностей поляризуемостей получены значения: ∆ = 2 · 10−26 см3 ,∆ = 0.14 · 10−26 см3 .На основе кинетик разности фаз после порога генерации измерен аналогичный иттерби­евым волокнам коэффициент, соответствующий среднему по длине активного волокна при­росту разности температур сердцевины и оболочки в расчёте на 1 Вт мощности накачки.Для иттербий-эрбиевого волокна он составил 0.7 · 10−2 /Вт.Предложено обобщение интерференционной методики для исследования безызлучатель­ных переходов в активных средах на основе прозрачных диэлектриков.

Применение даннойметодики продемонстрировано на примере измерения безызлучательного времени жизни тер­ма 4 11/2 ионов Er3+ в активном эрбиевом волокне, которое, по результатам измерений, состав­ляет = 13 ± 0.1 мкс.127Заключение1. В работе предложен экспериментальный метод измерения температуры в сердцевинеактивного волоконного световода в условиях мощной лазерной генерации. Метод осно­ван на использовании оптической схемы волоконного интерферометра Маха-Цандера,либо интерферометра Майкельсона, в одно из плеч которого помещена активная схе­ма волоконного лазера. Данный метод позволяет измерять среднее по длине волокнаприращение температуры в сердцевине.2.

Разработан автоматизированный экспериментальный стенд по измерению стационарно­го приращение температуры при оптической накачке волоконного лазера. Выполненакалибровка стенда с использованием внешнего разогрева активного плеча интерферо­метра и определён температурный коэффициент показателя преломления.3. Выполнены измерения абсолютной величины и скорости приращения средней по длиневолокна температуры Yb3+ и Yb3+ /Er3+ световодов в регулярном тепловом режиме приразличных условиях теплоотвода. Продемонстрированы особенности теплового режи­ма волокна вблизи порога генерации и предложено их объяснение. На основе кинетикиразогрева волокна произведена оценка величины коэффициента конвекционного теп­лообмена усреднённой по поверхности волокна.

Выполнено численное моделированиераспределения температуры по длине активного световода в условиях лазерной генера­ции и получено согласование с наблюдаемыми в эксперименте зависимостями.4. Экспериментально продемонстрирована зависимость коэффициента конвекционного теп­лообмена от разности температур волокна и окружающей среды. Для исследуемого ти­па активного световода в диапазоне мощности накачки до 30 Вт данная зависимостьпредставляет собой квадратичную функцию.5. На основе интерферометрических измерений с модуляцией мощности накачки произве­дена оценка средней по длине волокна разности температур сердцевины и оболочки взависимости от мощности накачки.

Данная величина оказывается пренебрежимо малапо сравнению со средним по поперечному сечению приращением температуры.6. Вклад электронного и теплового механизма в ИПП сердцевины активного световодаэкспериментально разделяется после достижения порога лазерной генерации в связи128с тем, что инверсия активной среды принимает стационарное значение. При этом порезультатам измерений в допороговом режиме определены величины разности поляри­зуемостей основного и метастабильного уровней активных ионов Yb3+ и Er3+ на длиневолны зондирующего излучения.7.

Предложено применение интерференционной методики для исследование кинетики безыз­лучательных переходов в активных средах твердотельных и волоконных лазеров.129БлагодарностиАвтор выражает глубокую признательность своему научному руководителю О.А. Ря­бушкину – за научное руководство, выбор интересной темы для исследования и многолетнеетерпение, преподавателям кафедры «Фотоника» ФФКЭ МФТИ – В.С.

Бутылкину, Б.Л. Да­выдову, П.С. Фишеру, С.Г. Дмитриеву и А.Д. Шатрову за полученные знания и научныеконсультации, без которых выполнение данной работы не представляется возможным, со­трудникам 101 отдела НТО «ИРЭ-Полюс» – М.Ю. Вяткину, В. Транёву, Д. Мясникову, А.Л.Александрову, И. Зайцеву за бесценный опыт работы в области волоконной оптики, помощь ворганизации экспериментов и постоянную ментальную поддержку. Автор также благодаренсвоим коллегам, студентам и аспирантам кафедры «Фотоника», в частности, Д.Т.

Демьянко­ву, Р.И. Шайдуллину, А.В. Коняшкину, В.А. Тыртышному, А. Доронкину – за совместнуюработу и подробное обсуждение многих вопросов, сотрудникам, инженерам и технологамНТО «ИРЭ-Полюс» – за технические консультации, помощь в выделении материалов и обо­рудования для выполнения измерений.130Список публикаций по теме диссертации[1] Гайнов, В.

Измерение температуры в сердцевине активных волоконных световодов вусловиях лазерной генерации [Текст] / В.В. Гайнов, Р.И. Шайдуллин, О.А. Рябушкин //Приборы и Техника Эксперимента. — 2010. — № 6. — С. 86–93.[2] Гайнов, В. Стационарный разогрев активных волоконных световодов при оптической на­качке [Текст] / В.В. Гайнов, Р.И. Шайдуллин, О.А. Рябушкин // Квант. электроника. —2011.