Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 4

Резонаторволоконного лазера формируется волоконными брэгговскими решётками - диэлектри­ческими зеркалами, также сформированными в сердцевине световода.В такой конфигурации наиболее полно проявляются основные преимущественые каче­ства лазерного стекла. Высокая оптическая чистота и лучевая прочность кварцевогостекла, достигающая десятков ГВт/см2 , позволяют обеспечивать мощную лазернуюгенерацию в непрерывном режиме работы.

А волноводный способ распространения из­лучения в активной среде позволяют реализовать необходимый коэффициент погло­щения излучения накачки, повышая тем самым эффективность преобразования его вкогерентное лазерное излучение с малой расходимостью.

На сегодняшний день воло­конные лазеры являются самыми яркими источниками непрерывного излучения средивсех твердотельных одномодовых лазеров, достигая мощности 15 кВт [31].Разогрев активной среды мощных волоконных лазеров является основным предметомрассмотрения данной работы.1.1.2.

Оптическая спектроскопия редкоземельных ионов в стёклахАктивная среда волоконного лазера представляет собой стекло, легированное ионамиредкоземельных элементов. Лазерные стёкла представляют собой ковалентно связанную сет­ку полиэдров ионов-стеклообразователей основы — (4 )4− , (4 )4− , ( 4 )3− и т.д. — иполиэдров различных вводимых в них катионов-модификаторов, в качестве которых исполь­зуются ионы переходных металлов и других элементов.

Такими модификаторами могут яв­ляться также активные РЗ ионы. Наибольшее распространение среди активных волокон длямощных лазеров и усилителей, легированных ионами Yb3+ и Er3+ , получили фосфорсиликат­ные световоды. Структурными единицами фосфатных стёкол являются тетраэдры ( 4 )3− ,в которых один из атомов кислорода соединён с фосфором двойной ковалентной связью.Структурные единицы соединяются друг с другом по вершинам тетраэдров через мостико­вые атомы кислорода (т.е. соединяющие два атома иона стеклообразователя, в данном случаеP-O-P). Число немостиковых атомов кислорода при этом определяется концентрацией вводи­мых катионов-модификаторов [32].

Для структурных единиц фосфатных стёкол, в отличиеот тетраэдров (4 )4− , характерно наличие минимум одного немостикового (терминально­го) атома кислорода, которые при небольшой концентрации ионов активатора формируют15симметрию ближнего порядка. К примеру, в [33] на основе сравнения расчитанных по тео­рии кристаллического поля и полученных экспериментально спектров поглощения и люми­несценции Yb3+ показано, что в изученных стёклах различного состава этот ион находится вшестерной координации с симметрией D3 (октаэдр) (рис. 1.1).Для каждого типа фосфоркислородных группи­ровок может существовать большое количество вари­антов взаимной пространственной ориентации тетра­эдров ( 4 )3− [23], что обеспечивает высокую рас­творимость активаторов в относительно разреженнойанионной сетке фосфатных стёкол.Внедрение ионов активатора осуществляется врезультате химических реакций, изначальные реаген­ты которых содержат оксиды редкоземельных элемен­тов.

Два электрона из 6s-оболочки и один 4f-электронРис.1.1.комплекс,Октаэдральнайсконструированныйтетраэдральныхструктурныхизединиционов-стеклообразователя (взято из [33])уходят на образование химической связи с окружени­ем, в результате чего структура энергетических уров­ней активатора принимает конфигурацию, характер­ную для трёхвалентных ионов (конфигурации 4 13для ионов Yb3+ и 4 11 для ионов Er3+ соответственно). Классификация термов электронныхконфигураций определяется связью Рассела-Саундерса. Внутреннее электрическое поле мат­рицы стекла (поле лигандов) слабо влияет на систему энергетических уровней, участвующихв генерации лазерного излучения, не нарушая их расположения, характерного для свобод­ных ионов. Расщепление уровней на отдельные мультиплеты определяется тремя видамивзаимодействия: электростатическим взаимодействием с самосогласованным полем ядра иэлектронов, не находящихся в химической связи с кислородом, спин-орбитальным взаимодей­ствием, и взаимодействием с внутрикристаллическим полем.

Порядки энергий расщеплениядля различных видов взаимодействия представлены на рис. 1.2Для большинства видов лазерных стёкол структура энергетических уровней одного итого же РЗ-иона оказывается сходной и различается в основном величинами энергетическихрасщеплений вследствие эффекта Штарка. На рис. 1.3 представлена диаграмма электрон­ных уровней ионов Yb3+ и Er3+ и указаны скорости различных процессов релаксации возбуж­дений, соответствующие фосфоросиликатным световодам:16Рис. 1.2.

Порядки энергий расщепления 4f-электронных состояний активных РЗ ионов для различных типоввзаимодействийКак было указано ранее, энергетические уровни, учавствующие в лазерной генерациирасщепены вследствие эффекта Штарка и, благодаря влиянию поля случайного окруженияактивных ионов, неоднородно уширены. В этом случае, коэффициенты Эйнштейна становят­ся зависящими от частоты оптического излучения. Для характеризации процессов взаимо­действия активных ионов с излучениям вводят другие, более удобные спектроскопическиехарактеристики — сечения поглощения () и вынужденного излучения ().

Данные ве­личины определяются, в приближении плоской падающей волны, по вероятности переходаодного иона под воздействием монохроматического излучения:, () = Φ, (),(1.1)где , () – вероятность перехода в единицу времени (скорость перехода) под воздействиемплоской волны с длиной волны (соответствующей частоте ), Φ — плотность потока квантовизлучения, связанная с интенсивностью плоской волны соотношением Φ = /ℎ . Такимобразом, сечения перехода представляют собой "эффективную площадь" активного ионадля различных процессов взаимодействия с излучением.На рис.

1.4 представлены сечения поглощения и люминесценции для основных лазерныхпереходов ионов иттербия и эрбия в фосфорсиликатных и алюмосиликатных световодах.17Рис. 1.3.Энергетическаядиаграммаэлектронных уровней ионов Yb3+ и Er3+ вкварцевом стекле [26, 34, 35]. Прямымистрелкамиобозначеныизлучательныепереходы, волнистыми — безызлучательные,пунктирными—возможныеканалыапконверсии, дуговой стрелкой обозначенбезызлучательныймеждуионамипереноситтербиявозбужденияиэрбиявYb3+ /Er3+ световодах. Подписи к стрелкамобозначаютвременарелаксациидлясоответствующих переходов.Ионы Yb3+ в ближнем и ИК и оптическом диапазоне имеют только один переход, исоотвественно, только два энергетических уровня, поскольку на внутренней незаполненной4f-оболочке не хватает одного электрона.

Уровни эти обозначаются как 2 5/2 и 2 7/2 . Со­гласно значению полного углового момента этих уровней кратность их вырождения равна 6и 8 соответственно. Внутреннее электрическое поле матрицы стекла приводит к расщепле­нию уровней с одинаковым значением полного углового момента, сохраняя, согласно теоремеКрамерса, вырождение по проекции спина.

Параметры расщепления для фосфорсиликатныхстёкол, взятые из [36], приведены на вставке рис. 1.4(а).Помимо температурного однородного уширения, каждый из расщеплённых подуровнейимеет случайное энергетическое смещение, что обуславливает неоднородное уширение линийпереходов с этих уровней. Неоднородное уширение существено зависит от состава стекла икоординационных свойств иона активатора.Вследствие значительной величины неоднородного уширения линий переходов в стёк­лах (несколько нм), спектры поглощения и люминесценции отдельных подуровней перекры­18Рис. 1.4. Спектры сечений поглощения и люминесценции для (а) ионов Yb3+ в фосфоросиликатныхсветоводах[36] и (б) ионов Er3+ в алюмосиликатных световодах.ваются, формируя довольно широкие непрерывные полосы в области 0.9–1.1 мкм, что иопределяет приведённые на рис. 1.4 спектры сечений. В целях повышения эффективностиприобразования для накачки, как правило, используется коротковолновый диапазон (900–965нм), где () ≪ ().

При этом лазерная генерация осуществляется справа от основногопика, где выполняется обратное соотношение. В этом случае говорят, что накачка актив­ной среды осуществляется по квазичетырёхуровневой схеме. При определённых условияхвозможно использование диапазона вблизи основного пика на 975 нм [37], где лазерная гене­рация осуществляется по квазитрёхуровневой схеме [38].Для накачки активных ионов эрбия используется безызлучательный перенос возбуж­дения (БПВ) в активных средах, коактивированных ионами Yb3+ , либо оптическая накачкана уровень 4 11/2 излучением полупроводниковых или волоконных лазеров. В обоих случа­ях используется трёхуровневая схема накачки, с быстрым безызлучательным переходом вметастабильное состояние 4 13/2 .1.1.3.

Особенности процессов безызлучательного переноса возбуждения виттербиевых и иттербий-эрбиевых активных средахПроцессы безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения играют важ­ную роль в кинетике и динамике люминесценции активных примесей в твёрдых телах.