Отзыв оппонента В.Б. Цветкова (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения)

ОТЗЫВофициального оппонентана диссертационную работу Гайнова Владимира Владимировича«Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световодалегированного редкоземельными ионами в условиях генерациилазерного излучения» по специальности 01.04.21 — «Лазернаяфизика» на соискание учёной степени кандидата физикоматематических наук.1. Актуальность темы диссертацииопределяется широким использованием волоконных лазеров в науке,технологии и медицине. Однако при мощностях лазерного излучения более100 Вт для иттербиевых лазеров и меньших значений для волоконныхлазеров на основе других редкоземельных ионов происходит сильныйнагрев и, как следствие, изменение свойств активной среды.

Поэтому длясозданияи эксплуатацииволоконных лазеровнеобходимо знатьтемпературу активной среды во время работы. Несмотря на важность этойзадачи вплоть до настоящего времени не было предложено надежныхпрямых методов измерения температуры активного волокна. Тематикаисследований диссертационной работы В.В.Гайнова связана с разработкойметода волоконной интерферометрии для прямого измерения температурыв сердцевине активного световода в условиях лазерной генерации, ииспользовании данного метода для исследования зависимости температурыразогрева от мощности накачки, параметров активной среды итеплоотвода.Таким образом, актуальность темы исследования не вызываетсомнений.2.

Новизна результатовНаучная новизна работы определяется тем, что в ней:•Разработан экспериментальный стенд на основе волоконнойинтерферометрии для измерения in situ эффективной средней подлине температуры в сердцевине активного световода в условияхгенерации мощного лазерного излучения, и впервые проведеныизмерения температуры в этих условиях;• Впервые экспериментально измерена зависимость эффективногокоэффициента теплообменаактивноговолокнатемператур волокна и окружающей средывоздушном конвекционном охлаждении;приотразностиестественномчисленнымрезультатовэкспериментас•Изсравнениямоделированием впервые продемонстрирована существеннаязависимость разогрева иггербиевого световода от коэффициентанерезонансных потерь в сердцевине волокна, при этом вкладрезонансных и нерезонансных потерь в нагрев волокна можетдостигать сравнимых величин при изменении дифференциальнойэффективности лазера менее чем на 8%;г•На основе интерференционного метода с модуляцией накачкивпервые экспериментально измерена эффективная разностьтемператур сердцевины и оболочки активного световода взависимости от мощности накачки, причём вклад электронного итеплового механизма в изменение показателя преломления в даннойметодике разделяется экспериментально;преломления•Впервые проведены измерения изменения показателя+зпри оптической накачке в сердцевине уьз+/Ег активных световодов;З.

Практическая значимость диссертации определяется тем,что•Разработан метод измерения среднего по длине приращениятемпературы в сердцевине активных волоконных световодов вусловиях генерации лазерного излучения, что позволило создатьновые методы диагностики состояния активной среды волоконноголазера;•Предложена и апробирована методика по измерению эффективногокоэффициента конвективного теплообмена световода, а также егозависимости от температуры световода;• Предложена методика по измерению средней по длине разноститемператур сердцевины и оболочки активного волокна в условияхлазерной генерации и выполнены измерения этой величины дляУЬЗ+ и ‚'ЬЗ+/ЕтЗ+ активных световодов с целью определениястепенивлиянияпрофилянеоднородноститемпературынапараметры излучения волоконного лазера.•Предложенаинтерференционнаяметодикадляисследованиякинетики безызлучательных переходов в активных средах на основелегированных кристаллов и стёкол, обладающая технологическимипреимуществами для активных сред волоконной геометрии.4.

Оценка содержания диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискалитературы.Первая глава диссертации посвящена анализу литературы ипредставляет собой подробный обзор физических явлений, лежащих воснове работы волоконного лазера, а также современном уровнятехнологиимощныхволоконныхлазеровиусилителей.Описаныспектроскопические характеристики трехвалентных ионов иттербия иэрбия в стекле, а также процессы межцентровой передачи энергииЕгз+. Подробно рассмотрены влияние основных тепловых эффектов нахарактеристики генерации и принципы измерения температуры в активныхэлементах твердотельных, в том числе волоконных, лазеров.численномупосвященныетакжеработы,Проанализированымоделированию распределения температуры по длине световода, указанона допущения относительно модели и используемых количественныхвеличин, не контролируемых экспериментально.3Во второй главе представлено описание экспериментального стендадля измерения стационарной температуры разогрева.

Подробно описаныметодики обработки экспериментальных данных, процедуры калибровки иподготовки исследуемых образцов.ОписаныиспользованиемдваустановокэкспериментальныхвариантаинтерферометровиМаха-ЦендерасМайкельсона.Обосновано применение интерферометра Маха-Цендера для случаянебольших мощностей накачки, а схемы с использованием интерферометраМайкельсона для произвольных условий накачки и охлаждения.

Показано,что схема с использованием интерферометра Маха-Цендера обладаетвысокой чувствительностью к изменению фазы (из-за изменениятемпературы волокна) в связи с большой длиной плеч интерферометра.Такая высокая чувствительность обладает и оборотной стороной - дляпроведения измерений необходимо максимально исключить случайныеколебания температуры окружающей среды и вибрации. Поэтому дляпроведения измерений при произвольных условиях и высокой мощностинакачки используется схема с интерферометром Майкельсона прииспользовании синхронного детектирования с раздельной амплитудной ифазовой модуляцией.При описании алгоритма измерений и задач, решаемых сиспользованием описанных экспериментальных установок, уделено такжевнимание фундаментальному вопросу о соотношении вкладовэлектронного и теплового механизмов в изменение показателяпреломления.

Этот вопрос красиво решается с использованием измерениякинетики изменения разности фаз при импульсной накачке.В третьей главе представлены экспериментальные результатыизмерения температуры в волоконных лазерах при различных условияхтеплоотвода, приведено сравнение с численными оценками и определеназависимость интенсивности теплоотвода от разницы температур волокна иокружающей среды.Исследования проводились как на установке, созданной на основеинтерферометра Маха-Цендера (мощности накачки не более 3,5 Вт дляиггербиевого лазера и 5 Вт для иггербий-эрбиевого волокна), так и наустановке на основе интерферометра Майкельсона (иттербиевое волокно,мощностьнакачкиболее 100Вт).Определеныхарактеристикитепловыделения в допороговом режиме и показано влияние генерациилазерного излучения на величину тепловыделения.

Показано, что большийкоэффициент тепловыделенияв допороговомрежимесвязанспоглощением люминесценции в полимерной оболочке.Следует отметить, что все измерения сопровождаются хорошовыполненным математическим моделированием тепловых процессов, чтодает возможность, в частности, определить влияние резонансных инерезонансных потерь на эффективность нагрева волокна.4Четвертая глава посвящена описанию измерений кинетики измененияпоказателя преломления в активной среде при оптической накачке.Измерения основываются на применении интерферометрической методики смодуляцией мощности накачки, которая была описана в третьей главе.j лительность фронта импульса накачки составляла около 3 мкс, чтозначительно меньше времени жизни ионов итгербия.

Подобные измеренияпозволяют определить разницу температур между сердцевиной и оболочкой,что влияет на волноводные свойства оптическом волокна, а такжеопределить относительный вклад электронном и тепловом механизмов визменение показателя преломления.Измерения были проведены для итгербиевых и итгербий-эрбиевыхактивных волокон.

Для итгербиевых волокон было показано, что вплоть допорога генерации основным механизмом, отвечающим за изменениепоказателя преломления, является электронный, а выше порога генерации -тепловой.Экспериментальные зависимости кинетики разности фаз дляитгербий-эрбиевом лазера являются более сложными для интерпретации,чтосвязано с большим значением квантовом дефекта. Вследствие этом вкладтепловом механизма является значительным также и в допоромвом режиме.В последнем разделе данной главы рассматривается применениеинтерференционной методики для исследования безызлучательныхпереходов.

Возможности методики продемонстрированы на примере+измерения вероятности безызлучательных переходов с уровня 4111/2 ионов Егзпри возбуждении на длине волны 979 нм. Показано, чтоинтерферометрический метод измерения кинетики безызлучательномперехода обладает рядом преимуществ. В частности, необходимаячувствительность фотоприёмника определяется диапазоном измененияразности фаз при селективном импульсном возбуждении и интенсивностьюзондирующем излучения, которую можно сделать достаточно большой дляпроведения точных измерений.Таким образом, можно выделить следующие наиболее значимыерезультаты работы:1. В работе предложен экспериментальный метод измерения среднейпо длине волокна температуры в сердцевине активном волоконногосветовода в условиях мощной лазерной генерации.