Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 6

модельФёрстера-Декстера, в которой используется приближение взаимодействующих двухуровне­вых систем мультипольными осцилляторами [45, 48]. В этом случае в феноменологическихмоделях вводится т.н. константа скорости переноса энергии : =.(1.7)где – расстояние между ионами, = 6, 8, 10 соответственно для диполь-дипольных, ди­поль-квадрупольных и квадруполь-квадрупольных взаимодействий.

Тогда кинетика распадавозбуждения донора, слабо взаимодействующих с набором акцепторов, задаётся выраже­нием: ()3= exp(− / ), (0)где =4Γ2(︀1−3)︀(1.8) 3/() - мaкропараметр тушения, Γ() - гамма-функция [49].Систематическое изучение кинетики переноса возбуждения между ионами Yb3+ и Er3+ всветоводах и заготовках было проведено в работе [50]. На основе спектрально-кинетическойметодики измерения интенсивности люминесценции при селективной импульсной накачкепоказано, что перенос возбуждения осуществляется в условиях т.н. сильного некогерентного24взаимодействия, при котором вероятность переноса, существенно превышает скорость внут­рицентровой безызлучательной релаксации на ионах эрбия.

Увеличение скорости переносадля световодов по сравнению с объёмными образцами стёкол, получаемых из переохлаждён­ного расплава, связано со значительным уменьшением минимального расстояния между до­нором и акцептором, при этом в конкуренцию могут вступать взаимодействия различногопорядка мультипольности. В случае малых концентраций донора скорость тушения люминес­ценции ионов Yb3+ равна скорости безызлучательной релаксации акцепторов, соответствую­щей времени = 1 мкс для возбуждённого состояния 4 11/2 ионов Er3+ в фосфоросиликат­ных заготовках При обратном соотношении ( ≫ ) для использованных в данной работеконцентраций ионов Yb3+ 5000-10000 ppm реализовывается миграционно-ускоренная стадиятушения (МУТ).Для описания процесса МУТ для РЗ ионов в стёклах используются следующие асимп­тотики: () =⎧⎪⎨ (), → 0;(1.9)⎪⎩exp(−¯ ). → ∞¯ в данном случае будет зависеть ужегде () – кинетика статического переноса.

Скорость не только от и , но и от микропараметра донор-донорных взаимодействий . Сростом концентрации доноров доля возбуждений, релаксирующих на статической, нестаци­онарной стадии процесса уменьшается, а исчезающих с постоянной скоростью – увеличива­ется монотонно с ростом . В случае сильного некогерентного взаимодействия переход кэкспоненциальной стадии осуществляется за время поперечной релаксации.¯ от концентраций и микропараметровТочный вид зависимостей скорости тушения определяется выбором модели миграционно-ускоренного тушения: диффузионной или прыж­ковой. Большой обзор исследований по тематике МУТ описан в [44], а в работе [51] приведенасводка формул, описывающих эти зависимости, и результаты исследования по применимостимоделей МУТ для различных донорно-акцепторных пар.

Не останавливаясь конкретно на¯ оказываетсяфизических основах каждой из моделей, укажем лишь, что скорость переноса линейна по концентрации акцепторов вне зависимости от модели МУТ и типа межион­ного взаимодействия [51]. Это позволяет феноменологически ввести коэффициент переносавозбуждения:¯ = ,(1.10)и, при достижении кинетического предела, рассматривать процессы МУТ c использованием25обычных скоростных уравнений [35, 52]: ()= − .(1.11)1.2. Технологические особенности волоконных лазеров и усилителейПо своему функциональному назначению современные мощные волоконные лазерыи усилители представляют собой преобразователи качества излучения. Пространственно испектрально многомодовое излучение накачки мощных полупроводниковых лазерных дио­дов, поглощаясь в легированной РЗ ионами сердцевине активных волокон, позволяет осу­ществлять усиление и генерацию лазерного излучения на основной моде активного световодас предельно малой расходимостью, близкой к гауссовой.

Основным параметром, характери­зующим качество пучка выходного лазерного излучения, является M2 [53], который опреде­ляется как отношение угла расходимости излучения лазера к углу расходимости гауссовогопучка с тем же самым значением диаметра перетяжки:⧸︂2 =,0(1.12)где 0 – величина диаметра перетяжки. В большинстве случаев лазер считается одномодо­вым, если величина 2 не превышает 1.4.В данном разделе мы обсудим ряд технологических особенностей, влияющих на харак­теристики и режимы работы конечного устройства.1.2.1.

Развитие технологии волоконных лазеровАктивной средой волоконных лазеров является серцевина оптического волокна из квар­цевого стекла, легированная редкоземельными ионами. Поэтому основные физические осо­бенности и проблемы активных сред на легированных стёклах остаются справедливыми идля волоконных лазеров. В то же время волоконная конфигурация обладает рядом суще­ственных преимуществ, таких как интенсивный теплоотвод за счёт большого соотношенияплощади поверхности к объёму, а также отсутствие необходимости юстировки большого ко­личества оптических элементов лазера в связи с волноводным способом распространенияизлучения. Указанные преимущества были поняты довльно давно и волоконная конфигу­рация активной среды была предложена практически сразу после создания твердотельныхкристаллических и стеклянных лазеров. Уже в первых работах, выполненых еще вначале2660-х годов [54, 55] была продемонстрирована одномодовая генерация на стеклянных свето­водах, легированных неодимом.

А в 1969 году с использованием одномодового световода сдиаметром световедущей жилы 15 мкм, было продемонстрировано усиление излучения HeNeлазера на длине волны 1.0621 мкм на 40 дБ ( с 230 мкВт до 0.6 Вт)[56].Новые возможности технология волоконных лазеров получила после появления работ[57,58], в которых авторы предложили использовать для накачки волоконных световодов излуче­ние другого лазера, вводимое через торец волоконного световода. Такой способ накачки сразупродемонстрировал многие преимущества волоконных лазеров перед традиционными типа­ми лазеров на основе объемных элементов. Среди этих преимуществ следует назвать оченьвысокую эффективность использования излучения накачки.

Это достигается, во-первых, засчет большой длины поглощающей среды (до нескольких десятков метров) что, даже принизкой концентрации активных ионов, позволяет получать поглощение накачки на уровнедесятков и даже сотен децибел, а во-вторых, за счет полного пространственного совпадениянакачиваемого объема и объема, в котором осуществляется лазерная генерация (усиление).Все это позволяет, во многих случаях, получить практически предельную эффективностьнакачки, ограничиваемую лишь разменом квантов.Несмотря на многие достоинства, волоконные лазеры оставались в зоне в основном тео­ретического интереса вплоть до середины восьмидесятых годов.

Этому были две причины:первая причина заключалась в несовершенстве технологии изготовления стеклянных све­товодов требуемого качества, как по неактивным потерям, так и по распределению ПП попоперечному сечению. Вторая причина заключалась в отсутствии подходящего источникалазерной накачки. Обе эти проблемы получили решение к середине 80-х годов прошлоговека.Главным стимулом развития всей волоконной оптики в целом явилось создание воло­конно-оптических линий связи (ВОЛС). Существовавшая до 70-х гг. технология изготовле­ния и вытяжки волоконных световодов не позволяла обеспечить распространение излученияс коэффициентом затухания менее 10 дБ/км, в связи с чем ВОЛС уступали по качеству да­же медным проводным линиям связи.

Решение проблемы стало возможно после публикациифундаментальной работы [59], где было показано, что ключевым фактором влияющим назатухание излучения в световодах является наличие примесей, в первую очередь переходныхметаллов и ионов гидроксильных групп OH− .Многочисленные попытки создания методики глубокой очистки стекла привели к ре­27ализации нескольких успешных технологий производства заготовок световодов из плавлен­ного кварца.

Помимо достижения сверхнизких концентраций неконтроллируемых примесей,данные методики позволяли реализовать произвольный профиль показателя преломленияв световоде путём легирования дополнительными примесями и контролировать его с высо­кой точностью, исходя из конкретных применений. Наиболее простым и гибким методом,позволяющим варьировать параметры волокна в широких пределах, оказался т.н. модифи­цированный метод осаждения из газовой фазы (MCVD)[60].В современных волконных световодах, применяющихся в ВОЛС, пассивные потери со­ставляют 0.2 дБ/км = 4.6 · 10−4 см−1 с максимумом прозрачности в диапазоне более 20 нмвблизи длины волны излучения 1.55 мкм. Потребности освоения огромной, по сравнениюс кабельными линиями связи, полосы пропускания привели к появлению технологии WDM(wavelength division multiplexing), при которой световой сигнала распространяется по волокнуна нескольких длинах волн за счёт оптического мультиплексирования. Наибольшее распро­странение получил подвид этой технологии под названием DWDM (dence wavelength divisionmultiplexing), особенность которого состоит в использовании фиксированного набора опти­ческих частот с интервалом 100 ГГц именно в диапазоне главного телекоммуникационногоокна прозрачности (1.55 мкм).Данный спектральный диапазон попадает в полосу усиления активной среды на основелазерного стекла, легированного ионами Er3+ (см.

рис. 1.3). Это явилось предпосылкой длясоздания волоконных услителей оптического сигнала на основе эрбиевых волокон, обеспечи­вавших его прохождения в протяжённых многопролётных линиях связи без промежуточногоопто-электронного преобразования.Последним технологическим звеном, способствовавшим развитию волоконных усилите­лей и лазерной волоконной оптики в целом, явилось создание недорогих и надёжных источ­ников накачки — полупроводниковых лазеров и диодов.

Лазерные диоды на основе двойныхгетероструктур AlGaAs/GaAs с квантовыми ямами обеспечивали высокоэффективную гене­рацию оптического излучения накачки и стабильно работали при комнатной температуре[24].Впервые удачное сочетание активированных кварцевых световодов и полупроводнико­вой накачки продемонстрировано в работах Центра Оптоэлектроники из университета Саут­гемптона [61–65].

За короткий промежуток времени были реализованы практически все ти­пы активных сред современных волоконных лазеров. Они использовали в качестве лазерной28среды кварцевые световоды аналогичные световодам разработанным для телекоммуникации,одномодовая световедущая жила которых дополнительно легировалась различными редко­земельными ионами (Nd3+ , Er3+ , Yb3+ и др.), а в качестве накачки — одномодовые диоды на0.8 мкм (рис.