Диссертация (1104225)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники иэлектроники им. В.А. Котельникова РАН.На правах рукописиГайнов Владимир ВладимировичОптическая интерферометрия кварцевого волоконногосветовода легированного редкоземельными ионами вусловиях генерации лазерного излучения01.04.21 – Лазерная физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительк. ф.-м.
н., доц. МФТИРябушкин О.А.Фрязино – 2016СодержаниеВведение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1.1.1.Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10Физические основы функционирования твердотельных и волоконных лазеров101.1.1.1.2.1.3.Твердотельные лазеры с оптической накачкой и проблема тепловыхэффектов . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101.1.2.Оптическая спектроскопия редкоземельных ионов в стёклах . . . . . .151.1.3.Особенности процессов безызлучательного переноса возбуждения в иттербиевых и иттербий-эрбиевых активных средах . . . . . . . . . . . .19Технологические особенности волоконных лазеров и усилителей . . .
. . . . .261.2.1.Развитие технологии волоконных лазеров . . . . . . . . . . . . . . . .261.2.2.Способы ввода оптической накачки в световоды . . . . . . . . . . . . .311.2.3.Профиль показателя преломления и легирования световодов . . . . .341.2.4.Механизмы изменения профиля показателя преломления при оптической накачке . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36Разогрев активной среды в условиях оптической накачки . . . . . . . . . . . .361.3.1.Термооптические искажения лазерного излучения и параметров активной среды твердотельных лазеров на кристаллах и стёклах . . . . . .1.3.2.1.3.3.51Нелинейность показателя преломления в условиях резонансного оптическоговозбуждения . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53Волоконная интерферометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55Глава 2.2.1.46Обзор экспериментальных работ по измерению температуры активныхволокон в условиях лазерной генерации . . . . . . . . . .
. . . . . . . .1.5.43Обзор тепловых эффектов в активных волоконных световодах, представленных в литературе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.4.37Принципы измерения температуры в активных элементах твердотельных лазеров . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.4.5Оптическая интерферометрия активной среды волоконного лазера 57Изготовление волоконного лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2572.2.Методика исследования тепловых эффектов в волоконных световодах и схемаэксперимента2.3.. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59Методика измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .622.3.1.Фазовая чувствительность и временные характеристики аппаратуры .622.3.2.Алгоритм обработки экспериментальных данных . . . . . . . . . . . .622.3.3.Блок схема экспериментальной установки для реализации алгоритмаизмерений в автоматическом режиме . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .642.4.Калибровка экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .662.5.Исследуемые образцы активных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .682.6.Квадратурный интерферометр Майкельсона . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .692.7.Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72Глава 3.Стационарный разогрев активных волоконных световодов в условиях оптической накачки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .743.1.74Модель разогрева активного волокна при оптической накачке . . . . . . . . .3.1.1.3.1.2.3.2.Разогрев циллиндрически-симметричного световода со ступенчатымпрофилем легирования . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Разогрев двойного волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78Квазистационарный разогрев I. Измерения для Yb3+ и Yb3+ /Er3+ лазеров с помощью интерферометра Маха-Цандера . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .3.2.1.3.2.2.3.3.Особенности теплового режима активного волокна вблизи порога генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83Кинетика разогрева волокон в регулярном тепловом режиме . . . . .88Квазистационарный разогрев II. Измерения для Yb3+ лазеров с помощью квадратурного интерферометра Майкельсона . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .3.3.1.3.3.2.3.4.8090Разогрев волокна многомодовым излучением накачки и одномодовымлазерным излучением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90Разогрев активного волокна в условиях лазерной генерации . . . . . .91Численные оценки продольного распределения температуры и влияния пассивных потерь на разогрев активного волокна .
. . . . . . . . . . . . . . . . .933.4.1.Модель волоконного лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .933.4.2.Определение параметров модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .963.4.3.Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .9733.5.Температурная зависимость коэффициента конвекционного теплообмена . . .3.6.Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Глава 4.99Кинетика изменения показателя преломления и разогрев сердцевины активного волокна в условиях оптической накачки . . . .
. . . . . . . . 1044.1.Цель и методика измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.2.Оценки вклада электронных ИПП от основных лазерных переходов редкоземельных ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.3.Кинетика изменения показателя преломления в активных световодах при оптическом возбуждении ионов иттербия . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.4.Кинетика изменения показателя преломления активных световодов, легированных ионами Yb и Er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.5.Исследование кинетики безызлучательной релаксации в активной среде интерферометрическим методом . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.6.Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Список публикаций по теме диссертации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 134Список обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150Список иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 152Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1564ВведениеАктуальность работы. Волоконные лазеры на основе активных световодов из плавленого кварца, легированного ионами Yb3+ , на сегодняшний день являются самыми яркимиисточниками излучения среди всех твердотельных лазеров. Основным фактором, определяющим уникальные характеристики такого лазера является использование в качестве активнойпримеси ионов Yb3+ . Это позволяет получить минимальное тепловыделение за счёт малойразницы энергий квантов накачки и лазерного излучения, обусловленной особенностями энергетической структуры уровней ионов Yb3+ в кварцевом стекле.
Значительными преимуществами волоконного лазера являются высокая лучевая стойкость и оптическая прозрачностькварцевого стекла, изготовленного по методу MCVD, а также геометрия активной среды,обладающая большим соотношением площади поверхности к объёму, что обеспечивает эффективный теплоотвод. При мощностях лазерного излучения от 100 Вт и более происходитсильный разогрев и изменение свойств активной среды. Изменение параметров излученияволоконного лазера может происходит вследствие многих механизмов: изменение профиляпоказателя преломления и модового состава активного световода, развитие нелинейных эффектов, изменение спектроскопических свойств активной среды вследствие разогрева, разрушение волоконного световода вследствие деградации полимерного покрытия или достижениялучевой прочности кварцевого стекла.
Таким образом, исследование параметров состоянияактивной среды волоконного лазера в процессе лазерной генерации является важной научнойи практической задачей.Основным параметром, по которому можно судить о состоянии активной среды прибольших мощностях накачки является температура. Уникальность геометрических параметров активной среды волоконного лазера (сердцевина кварцевого световода диаметром неболее 20 мкм при длине световода несколько десятков метров) является основной причиной того, что до последнего времени отсутствовали экспериментальные методы измеренияеё температуры. Одним из важных критериев предъявляемых к методике является возможность выполнения измерений при любых условиях теплоотвода (именно с целью поиска оптимальных условий), а также отсутствие влияния на состояние активной среды в условияхлазерной генерации.
В полной мере этим критериям удовлетворяет интерферометрическийметод, представляемый в настоящей диссертационной работе. Изменение температуры активной среды приводит к изменению показателя преломления в сердцевине световода, которое5можно измерить с помощью интерферометра, в одно из плеч которого помещена активнаясхема волоконного лазера.
Использование зондирующего излучения, лежащего вдали от полос поглощения активных ионов в кварцевом стекле позволяет проводить измерения в любомрежиме работы волоконного лазера, а большая протяжённость активной среды обеспечиваетвысокую амплитуду интерференционного сигнала.Помимо влияния температуры изменение показателя преломления сердцевины происходит также вследствие различных нелинейных эффектов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
