Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 7

1.7).Рис. 1.7. Простейшая блок-схема волоконного лазера.Первоначальные усилия были посвящены увеличению выходной мощности неодимовыхволоконных лазеров до 10-ваттного уровня за счёт использования т.н. волокон с двойнойоболочкой, впервые предложенных в [66]. В таких волокнах с помощью дополнительногопокрытия с низким показателем преломления образуется второй, уже многомодовый свето­вод для ввода излучения накачки. Процесс накачки при этом напоминает то что происходитв обычных твердотельных лазерах с ламповой накачкой в зеркальной камере. Излучениенакачки, многократно отражаясь от стенок многомодового волновода, постепенно поглоща­ется центральной активированной жилой, возбуждая электронные переходы (рис.

1.8). Приэтом за счёт подбора концентрации РЗ-ионов и длины активного волокна можно добитьсянеобходимого коэффициента поглощения накачки.Достижение высоких мощностей излучения полупроводниковых лазеров накачки в со­вокупности с существенно более узким спектром излучения по сравнению с лампами-вспыш­ками оставил в прошлом такие трудоёмкие задачи, как оптимизация параметров газовогоразряда в лампе для увеличения коэффициента поглощения накачки.

При этом также сталовозможным осуществление эффективной накачки активных сред с меньшим количествомвозможных электронных конфигураций по сравнению с ионами Nd3+ . Наиболее простойструктурой обладает ион Yb3+ (рис. 1.3). Отсутствие в оптическом диапазоне спектра бо­лее высокочастотных переходов, чем из метастабильного состояния, значительно уменьшает29Рис. 1.8. Блок-схема волоконного лазера с накачкой в оболочку.вероятность многофононной релаксации и поглощения с возбуждённого уровня (апконвер­сии), что позволяет вводить значительные концентрации ионов в активированную жилу све­товода.

Наличие широких полос поглощения за счёт штарковского расщепления основногои метастабильного мультиплета позволяет осуществлять накачку разнообразными источни­ками излучения в диапазоне 900-975 нм и, также, даёт возможность перестройки длиныволны лазерной генерации в широком спектральном диапазоне (до 100 нм). При этом, вслед­ствие квазидвухуровневой структуры энергетических уровней, обеспечивается существенноменьший размен квантов излучений накачки и генерации (5-15%), по сравнению с другимиредкоземельными ионами, и достигается малое тепловыделение в активной среде.Впервые экспериментальное исследование волокон с двойной оболочкой, активирован­ных ионами Yb3+ было проведено в работе [67].

В волоконном лазере с длиной волны накачки875 нм и длиной волны генерации 1090 нм дифференциальная эффективность преобразова­ния излучения накачки в лазерное излучение составила 69%, при пороге генерации 5 мВт.Достигнутая мощность генерации 50 мВт ограничивалась мощностью полупроводниковогодиода накачки, немного позже этот результат был улучшен (470 мВт выходной мощности снакачкой от лазера на титан-сапфире [68]).С этого момента начался интенсивный рост исследований по созданию мощных воло­конных лазеров на основе иттербиевых световодов и их коммерческая реализация в качествеосновного технологического инструмента для обработки конструкционных материалов (рис.1.9). На сегодняшний день промышленные источники мощного лазерного излучения болеечем на половину укомплектованы волоконными иттербиевыми лазерами с полупроводнико­вой накачкой [31].30Рис.

1.9.Ростодномодовыхвыходноймощностиволоконныхлазеров.Начиная с 1999 г., все результатыотносятсякиттербиевымлазерам(взято из [69])Помимо мощных иттербиевых волоконных лазеров, в настоящей диссертационной ра­боте также исследуются следующие типы приборов на основе активных световодов, легиро­ванных редкоземельными ионами:1. Yb3+ /Er3+ лазеры и усилители Данные активные световоды используются для уси­ления сигнала в третьем диапазоне прозрачности кварцевого волокна (1,55 мкм) в си­стемах кабельного телевидения и магистральной оптической связи, а также в рядедругих специальных применений, в связи с относительно безопасным для зрения спек­тральным диапазоном излучения.

Максимальная, достигнутая на сегодняшний день,мощность волоконных лазеров подобного типа не превышает 300 Вт [70], что связанос сильным разогревом активного волокна за счёт большой разницы энергий квантовнакачки и генерации.2. Er3+ -усилители (EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifiers) Для накачки непо­средственно в полосы поглощения ионов эрбия используются полупроводниковые иливолоконные пространственно одномодовые лазеры на длину волны 980 или 1460 нм.Данный способ накачки и усиления позволяет добиться существенного уменьшения со­отношения сигнал-шум на выходе усилителя по сравнению с многомодовой накачкой.1.2.2.

Способы ввода оптической накачки в световодыДля ввода многомодового излучения в активный световод применяются технологииторцевой и боковой накачки.В первом случае используется т.н. волокно с двойной оболочкой, в котором помимолегированной световедущей жилы формируется внешний многомодовый волновод для излу­чения накачки. Излучение накачки, вводимое через один из торцев, распространяясь вдоль31волокна, постепенно по мере распространения поглощается в жиле и приводит к возникно­вению инверсии населённостей для лазерного перехода. Коэффициент поглощения в этомслучае, в пренебрежении эффектами насыщения перехода, оказывается равен: = Γ ( ) ,(1.13)где — населённость основного состояния, ( ) — сечение поглощения на длине волнынакачки, Γ =— интеграл перекрытия излучения накачки с легированной жилой, ко­торый представляет собой отношение площадей жилы и многомодовой оболочки.

При этомпредполагается, что при поглощении излучения накачки в сердцевине происходит достаточ­но быстрое "размешивание"и установление стационарного распределения мощности для всехоболочечных мод излучения.Для формирования ППП многомодового волоновода используются волокна типа «кварц­кварц», в которых область пониженного показателя формируется за счёт дополнительноголегирования фтором, и «кварц-полимер», где многомодовый волновод формируется внешнимполимерным покрытием с показателем преломления меньшим, чем у плавленного кварца.Схематическое изображения волокна с двойной оболочкой и его геометрические параметрыпредставлены на рис. 1.10:Рис.

1.10. Геометрия и профиль показателяпреломления волокна с двойной оболочкой.Обозначения:, — диаметры сердцевины и легированнойчасти0 , — радиус кварцевой оболочки иполимерной оболочки , —показальпреломлениясердцевины, плавленного кварца и полимера.Типичные числовые апертуры NA волноводов типа «кварц-кварц» составляют пример­но от 0.1 до 0.2. Применение волноведущих полимерных покрытий со специально подобран­ными оптическими свойствами позволяют поднять эту величину до 0.5. Ещё больших значе­ний поддерживаемой числовой апертуры можно достигнуть в микроструктурных волокнахтипа Air-Clad, где многомодовая оболочка формируется системой воздушных капилляров,32распложенных внутри сплошной кварцевой оболочки [38]. Наиболее удобным при разработ­ке волоконных лазеров различных конструкций оказывается применение боковой диоднойнакачки (Side pumping).

В этом случае оба конца активного волокна остаются свободнымидля ввода и вывода основного излучения, что позволяет реализовать главные преимуществаволоконных лазеров, работающих по схеме MOPFA (Master Oscillator - Power Fiber Amplifier)(рис. 1.11).Рис. 1.11.

Типичная схема мощного волоконного лазера-усилителя по схеме MOPFAВ такой конфигурации активное волокно, накачиваемое излучением объединённых ла­зерных диодов, является усилителем мощности для сигнала задающего лазера, в качествекоторого может выступать любой импульсный или непрерывный волоконный лазер, либо од­номодовый твердотельный или полупроводниковый лазер с высокой монохроматичностью икачеством пучка. Обзор различных способов реализации боковой накачки в активное волокноможно найти в [71]. Наиболее технологичным решением оказалось использование двойноговолокна, где многомодовый пассивный и активный световоды, находящие в оптическом кон­такте между собой, объединены общей полимерной волноведущей оболочкой [72] (рис.

1.12).Излучение накачки, вводимое в торец многомодового световода, распространяется в видеобщей системы мод обоих световодов и поглощается в легированной жиле активного светово­да. Коэффициент поглощения при этом оказывается примерно в два раза ниже, чем в случаеиспользования одиночного активного волокна с той же геометрией сердцевины и концентра­цией РЗ ионов, но наличие свободных выводов позволяет реализовывать многокаскадныесхемы с различными видами оптической фильтрации и в широких пределах варьироватьвеличину коэффициента усиления и его спектральную зависимость.В дальнейшем, появление различных интегральных волоконно-оптических компонен­тов, таких как брэгговские решётки, волоконные разветвители и мультиплексоры, волокон­ные зеркала, волоконные изоляторы, поляризаторы позволило реализовать полностью воло­33Рис.

1.12. Конструкция активного волокна с боковой накачкойконный формат лазера, обойтись без использования в конструкции традиционных объемныхэлементов и полностью избавиться от всевозможных настроек и юстировок лазерного резо­натора, что обеспечило бурный рост и развитие лазерной волоконной оптики.1.2.3. Профиль показателя преломления и легирования световодовНаиболее распространённым типом активных и пассивных волокон, являются волокнасо ступечатым ППП (рис.

1.10). Волновая теория циллиндрических диэлектрических волно­водов известна довольно давно [73] и изложена в большом количестве монографий [74–76].Типичные величины основных параметров активных Yb3+ и Yb3+ /Er3+ -волокон представле­ны в табл. 1.3:, нмMFD, мкмТип волокна∆ , 10−3, мкмСоставсердцевины106415506 ÷ 109 ÷ 12Пассивное одномодовое3÷66÷9SiO2 /GeO2Активное Yb3+11 ÷ 1410 ÷ 16SiO2 /P2 O5Пассивное одномодовое3÷48 ÷ 10SiO2 /GeO2Активное Yb3+ /Er3+12.5 ÷ 16.515 ÷ 16SiO2 /P2 O5Таблица 1.3.

Параметры активных волоконных световодовПри проектировании и производстве активных волокон для мощных лазеров и усили­телей имеется тенденция к увеличению эффективного модового диаметра основной моды на34длине волны лазерного излучения для снижения порога нелинейных эффектов и увеличениявыходной мощности. Зависимость модового диаметра от параметров ППП имеет вид [77]:)︀(︀3 = 0.65 + 1.619 − /2 + 2.879 −6 ,(1.14)где — диаметр волноведущей жилы, — нормализованная частота, определяемая выра­жением:√︁ = 2 − 2 ,(1.15)где - волновое число. Выражение 1.14 справедливо с точностью до 1% при 0.8 < < 2.5.Волновод является одномодовым при условии < = 2.405,(1.16)где - нормализованная частота отсечки первой высшей моды.

Из выражения 1.14 вид­но, что модовый диаметр в волокнах со ступенчатым ППП определяется преимущественнодиаметром сердцевины. Поэтому для решения проблемы увеличения MFD существует дваподхода:1. Увеличивать диаметр жилы, но при этом уменьшать разницу показателей преломлениясердцевины и оболочки так, чтобы выполнялось условие 1.16;2.