Диссертация (1104225), страница 17
Текст из файла (страница 17)
3.9(I) и группу кривых (II) на рис.3.10) радиусом, сравнимым с толщиной использованного в эксперименте волоконного блока(около 0.5 см), и с коэффициентом поглощения для спонтанной люминесценции около 0.5см−1 разогрев волокна и прилегающего полимера возрастает в три раза.Таким образом, дополнительный разогрев активного волокна в допороговом режимеобусловлен поглощением излучения спонтанной люминесценции в полимере и стенках воло86конного блока, а не в полимерной оболочке, покрывающей кварцевый световод.При отсутствии внешней полимерной оболочки увеличение наклона в зависимости ∆ = ( ) после порога генерации связано с тем, что эффективный по спектру размен квантов дляслучая спонтанной люминесценции меньше, чем для случая вынужденной люминесценциина длине волны 1064 нм. Увеличение наклона проявляется более отчётливо в экспериментес водяным охлаждением, а в условиях воздушного теплообмена оно практически незаметно(см.
рис. 3.7). Эффективный размен квантов можно вычислить исходя из спектральной зависимости для сечения люминесценции активных ионов. Спектральная плотность мощностиспонтанной люминесценции связана с сечением люминесценции соотношением [36]: ∼ (),5(3.17)Нормировав это выражение на безразмерную единицу, можно вычислить зависимость эффективного размена квантов от длины волны накачки. Для сечений ионов Yb3+ в фосфорсиликатных световодах, измеренных в работе [36], искомая зависимость изображена на рис.3.12. Эффективная длина волны спонтанной люминесценции при этом составляет ∼ 1003Рис. 3.12.Разменквантовдляспонтаннойлюминесценции () и вынужденной на длиневолны 1064 нм (∙) в зависимости от длины волнынакачки.
Штрих-пунктирный график (N, праваяшкала) - зависимость отношения этих величин.нм. Явление антистоксовой люминесценции при накачке на длинах волн, больших , используется в технологии твердотельного лазерного олаждения[131]. В идеальных условияхотношение разменов квантов для режимов спонтанной люминесценции и лазерной генерации должно быть равно отношению коэффициентов наклона до и после порога генерациив полученных нами зависимостях. В условиях эксперимента эта особенность сглаживаетсявследствие нескольких факторов. Это связано, во-первых, с наличием излучения усиленнойспонтанной люминесценции (ASE), которое дополнительно снимает инверсию в протяжённой активной среде и приводит к разогреву волокна. Во-вторых, часть излучения спонтанной люминесценции распространяется в многомодовом волноводе, сформированным полным87внутренним отражением на границе полимер–окружающая среда, и поглощается более эффективно.
Числовая апертура данного волновода будет меньше в случае водяного охлаждения (показатель преломления воды 1.33), вследствие чего увеличение коэффициента наклонапроявляется более отчётливо.В общем случае особенности теплового режима активного волокна при малых мощностях накачки вблизи порога генерации определяются совокупным влиянием всех указанныхвыше факторов3.2.2. Кинетика разогрева волокон в регулярном тепловом режимеНа рис. 3.13 представлена зависимость регистрируемого сигнала разности фаз от времени, полученная в процессе измерения с Yb3+ /Er3+ -лазером (аналогичная изображённойна рис. 2.5(б)) На вставке изображён в увеличенном масштабе участок графика, указанныйРис. 3.13.
Зависимость измеряемого сигнала разности фаз от времени в эксперименте с Yb3+ /Er3+ волокном.На вставке изображён отложенный от начала координат участок кривой (указан стрелкой)стрелкой: пример единичной «ступеньки» – теплового отклика среды на быстрое увеличениемощности накачки. Данные зависимости описываются в общем случае не одной (как в 3.12),a двумя экспонентами:∆() = 1 (1 − − /1 ) + 2 (1 − − /2 ) + ,(3.18)где — константа, характеризующая разогрев всего термостата.
Характеристические времена для различных "ступенек"лежат в следующих интервалах: 1 — от 3.4 до 7.3 сек; 2 - от20 до 30 сек.88Мы предполагаем, что первое слагаемое в 3.18 определяет установление квазистационарного температурного профиля в волокне за счёт конвективного теплообмена с окружающимвоздухом, а все дополнительные слагаемые связаны с разогревом теплоотводящей среды итермостата. Под термином "квазистационарность"подразумевается тот факт, что неоднородность распределения температуры по поперечному сечению волокна много меньше её абсолютного значения, и время установления неоднородности существенно меньше чем 1 и 2(т.е. это регулярный тепловой режим).При измеренном в экспериментах с Yb3+ и Yb3+ /Er3+ -волокном времени установлениятемпературы разогрева 1 из расчёта, согласно выражению (3.12), получаем коэффициенттеплопередачи ℎ для границы полимер–воздух ℎ = 15 ÷ 45 мВт2 ·К .Данную величину интересно сравнить с численными оценками на основе критериев подобия.
Уравнение подобия для процессов свободной конвекции в случае горизонтальных цилиндров имеет вид [132]: = 0.36 +0.518( )1/4,[1 + (0.559/ )9/16 ]4/9(3.19)где = ℎ / – число Нуссельта, = /, = ∆ 3 / 2 – числа Прандтляи Грассгофа для охлаждающей среды; = 2 — диаметр волокна, — кинематическаявязкость, = / - коэффициент температуропроводности; — коэффициент объёмногорасширения, — ускорение свободного падения.
Для воздуха при температуре 290 К =0.54, a выражение 3.19 при подстановке соответствующих параметров принимает вид:√︂4 ∆ = 0.36 + 0.049(3.20)1При малой разнице температур вторым слагаемым можно пренебречь и для текущей геометрии задачи получаем оценку коэффициента теплообмена ℎ ≈ 60 мВт2 ·К , что превышаетполученные экспериментально значения. В реальной ситуации волокно сматывается в кольцо, что приводит к ухудшению теплоотвода, появлению локальных перегревов и уменьшениюэффективного коэффициента теплообмена.Существенный интерес представляет случай больших мощностей. При увеличении мощности следует ожидать отклонение от линейного закона в зависимости средней температурыот мощности накачки.
Помимо указанной в 3.20 корневой зависимости коэффициента теплообмена от разности температур на внешней границе волокна определённый вклад такжемогут вносить зависимости тепловых параметров окружающей среды от температуры (теп89лопроводность, вязкость). Подобные измерения при мощностях накачки до 30 Вт описаны вследующем разделе.3.3. Квазистационарный разогрев II. Измерения для Yb3+ лазеров спомощью квадратурного интерферометра Майкельсона3.3.1.
Разогрев волокна многомодовым излучением накачки и одномодовымлазерным излучениемКак уже указывалось в разделе 2.6, где подробно описана схема экспериментальногостенда, использование синхронного детектирования позволяет проводить измерения медленного изменения температуры в длинных (>10 м) активных схемах в условиях сильного фазового шума, вызванного флуктуациями параметров активной среды. А измерение обоихквадратурных компонент интерференционного сигнала позволяет определить знак изменения фазы. В частности, можно провести экспериментальные оценки разности фаз за счётслабого прироста температуры, вызванного пассивными потерями при прохождении излучения накачки и лазерной генерации.
Данные измерения необходимы для того, чтобы оценитьвклад этой величины при измерениях непосредственно с волоконным лазером.Для этой цели были проведены измерения с пассивным двойным волокном, в которомвместо активного световода используется одномодовый на длине волны 1060 нм пассивныйсветовод. При той же геометрии, что и активное волокно, оно обладало следующими параметрами: состав жилы — SiO2 +GeO2 , потери для одномодового излучения на длине волны1.06 мкм — 0.086 дБ/м, для многомодового излучения накачки — 0.007 дБ/м.Схема измерения при этом осталась такая же, как и на рис.
2.12, за исключением того, что в схеме отсутствовали брэгговские решётки. При сварке 10 м данного волокна содномодовым световодом (для ввода зондирующего излучения) потери на схеме составили1.08 дБ (т.е. потери на сварке с пассивным волокном составили 0.22 дБ). Ниже на рис.
3.14представлены результаты зависимости разности фаз от мощности излучения (многомодовогоили одномодового), заводимого в волокно. В качестве источника многомодового излученияиспользовался лазерный диод накачки с длинной волны 960 нм, одномодового излучения —волоконный лазер с длиной волны излучения 1060 нм. Ввод одномодового лазерного излучения осуществлялся через оптический фильтр WDM в измерительном плече. Для разделениявкладов разогрева непосредственно волокна и участков ввода излучения (каплера накачки)90(а)(б )Рис.
3.14. Зависимости разности фаз от мощности многомодового или одномодового излучения, вводимогов волокно, для схемы с длиной волокна 10 м (а) и с участком каплера для излучения накачки (б ).были проведены две серии измерений методом "облома"; т.е.
вначале измерялась зависимостьразности фаз от мощности накачки для всей схемы, после чего большая часть активного волокна отламывалась и проводились измерения с оставшимся участком длиной около 5 см.Этим и отличаются рисунки 3.14, а и 3.14, б .Как видно из результатов измерений основной вклад даёт разогрев волокна за счёт пассивных потерь одномодового излучения в сердцевине одномодового световода. Разогревомза счёт потерь многомодового излучения накачки можно пренебречь, поскольку обусловленное им изменение разности фаз в расчёте на 1 Вт на порядок меньше соответствующегоизменения при одномодовом разогреве.3.3.2. Разогрев активного волокна в условиях лазерной генерацииИзмерения были проведены для иттербиевого волоконного лазера. Параметры волокнаи активной схемы указаны в списке:- Длина волокна — 10 м;- Диаметр сердцевины — 9.3 мкм- Концентрация активных ионов Yb3+ — 3800 ppm;- Коэффициент поглощения накачки (на 960 нм) — 1 дБ/м;- Пассивные потери в сердцевине — 0.02 дБ/м;- Коэффициент пропускания выходной решётки — -0.62 дБ;- Коэффициент пропускания глухой решётки — -20 дБ;- Пассивные потери на всей схеме — 0.6 дБ;91- Дифференциальная эффективность по поглощённой мощности накачки — 69%;Накачка активной схемы осуществлялась излучением семи полупроводниковых лазеров, объединённых при помощи многомодового каплера.Были проведены измерения со ступенчатым повышением мощности накачки на 0.5 Вткаждую минуту.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
