Диссертация (1104225), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Пропорциональность теплового и электронного вклада от ионов эрбия обусловлена тем, что придостижении равновесия мощность теплового источника пропорциональна населённости метастабильного уровня ионов эрбия:∼34=,32(4.20)Резкий рост вклада иттербиевых электронных ИПП связан с неоднородным распределениемнакачки по длине активного волокна - при больших мощностях накачки появляются участкиактивной среды, в которых эрбиевая подсистема практически полностью инвертируются иперенос возбуждения на них не происходит, что приводит к росту населённости метастабильного уровня ионов иттербия их увеличению вклада в результирующее ИПП.
Коэффициентнаклона для зависимости для иттербиевых электронных ИПП на данном графике составляет14.5 рад/Вт.Кинетики изменения фазы после достижения порога генерации (рис. 4.8(б)) аппрокси118Рис. 4.10. Сравнение расчётных и экспериментальной (кривая №4 рис. 4.8(а)) кинетик разности фаз дляразличных механизмов ИПП в иттербий-эрбиевом волокне. На трёх правых графиках указана зависимостинаселённостей различных уровней при заданной мощности накачки от продольной координаты в различныемоменты времени в интервале от 0 до 25 мс после включения накачки. Стрелкой указано направлениевозрастания времени.мируются выражением:(︁−/() = 1 − )︁(︁+ 1 − −/)︁+ + 0 ,(4.21)Зависимость амплитуд и времён релаксации, определённых в формуле (4.21), от мощностинакачки представлены на рис.
4.11. Зависимости, построенные по формуле (4.21), изображены на рис. 4.8(б) белыми графиками поверх экспериментальных.Меньшее из времён релаксации, без учёта отдельного значения вблизи мощности накачки 3 Вт, составляет = 65 ± 10 мкс. Столь малое значение указывает на нетепловуюприроду механизма ИПП. Эти изменения связаны с дополнительным приростом инверсиив иттербиевой подсистеме при установлении равновесных населённостей после достиженияпорога генерации.119Рис. 4.11.Зависимостьамплитуди времён релаксации от мощностинакачки для кинетик изменения фазыпосле достижения порога генерации.Значения времён отложены по левойшкале в логарифмическом масштабе,значения амплитуд - по правой шкалев линейном масштабеКоэффициенты наклона в зависимостях амплитуд , и + от мощности накачки равны соответственно 2.1 рад/Вт, 1.8 рад/Вт и 3.9 рад/Вт.
Если предположить, что за прирост температуры в сердцевине волокна отвечает только медленная часть кинетики (4.21),то из коэффициента наклона для получаем, согласно выражению (4.11) оценку среднейпо длине волокна разницы температур между сердцевиной и оболочкой 0.7 · 10−2 /Вт.Для сравнения вкладов различных физических процессов в общие изменения как температуры, так и показателя преломления, результаты измерений для Yb3+ /Er3+ -волокон, атакже для Yb3+ -волокон, описанные ранее в предыдущем разделе, суммированы в табл. 4.4.Все значения в данной таблице представлены в расчёте на 1 Вт поглощённой мощностиΔ 1, /ВтΔТепловойЭлектронныйТепловой(Разогрев(Разность(Стационарныйсердцевины)поляризуемостей)разогрев волокна)0.38 · 10−73.3 · 10−60.59 · 10−5−2Δ , /ВтΔ0.38 · 10Δ 1, /ВтΔ0.7 · 10−7Δ , /ВтΔАктивная средаYb3+0.598.4 · 10−73.5 · 10−5−20.7 · 10Yb3+ /Er3+3.5Таблица 4.4. Характеристики ИПП для различных механизмов в исследуемых активных средахнакачки и сгруппированы по типу активной среды.
В первой строке каждой группы приведены величины изменения температуры, во второй строке - соответствующие им величиныИПП. Поскольку для электронного механизма не имеет физического смысла сопоставлятькакую-либо температуры, то соответствующие ячейки в таблице оставлены пустыми.120В первом столбце - значения для разницы температур между сердцевиной и оболочкойактивного волокна, измеренные по кинетике изменения фазы после достижения порога генерации. Во втором - величины ИПП для электронного механизма при изменении населённостей метастабильных уровней активных ионов, определённые по коэффициентам наклона назависимостях рис. 4.5, 4.9 и 4.11. Для иттербиевых волокон данные ИПП происходят толькодо достижения порога генерации, для иттербий-эрбиевых - практически при любых мощностях накачки.
Максимальная мощность теплового источника в иттербий-эрбиевых волокнахв полностью инвертированных частях эрбиевой подсистемы не превышает = ′. Поэто2му области преимущественного влияния электронного или теплового механизма на профильпоказателя преломления в таких волокнах оказываются пространственно разделёнными.
Втретьем столбце представлены величины разогрева волокна в условиях теплового равновесия, полученные из стационарных измерений интерферометром Маха-Цандера в условияхвоздушного теплообмена.Как видно из табл. 4.4 отношение величин разогрева в стационарном случае примерно соответствуют отношению размена квантов накачки и генерации для Yb3+ и Yb3+ /Er3+ -волокон,в то время как отношение величин относительного разогрева сердцевины гораздо больше,что связано с более протяжённой (в поперечном сечении) геометрией теплового источника.Как видно из рисунков 4.4 и 4.8, в более общей постановке задачи электронный механизмИПП на основе знаний о спектральных свойствах активных ионов позволяет измерять кинетические характеристики релаксации электронных возбуждений в лазерных средах.
Даннаяизмерительная техника будет продемонстрирована в следующем разделе на примере исследования кинетики безызлучательной релаксации возбуждений в эрбиевых световодах.4.5. Исследование кинетики безызлучательной релаксации вактивной среде интерферометрическим методомСогласно результатам, изложенным в предыдущем разделеле, кинетики изменения показателя преломления позволяют измерить в том числе времена релаксации метастабильногосостояния в активных ионах. Логическим продолжением данной методики была бы возможность исследования кинетик безызлучательной релаксации.Исследование скоростей и механизмов безызлучательной релаксации и переноса возбуждения в активных средах является одной из основных задач лазерной физики. Кинетические121характеристики процессов релаксации в наибольшей степени определяют потенциальные возможности активных элементов твердотельных лазеров. Достаточно подробный обзор основных физических механизмов, приводящих к безызлучательной релаксации и определяющихскорости этих процессов, приведён во Введении.Изучение кинетики безызлучательной релаксации в большинстве случаев осуществляется косвенными методами на основе измерения кинетики люминесценции уровня, с которогопроисходит безызлучательный переход, либо по кинетике люминесценции с метастабильногоуровня на который осуществляется безызлучательный переход.
Типичная схема экспериментального стенда включает в себя мощный импульсный лазер, обеспечивающий селективноевозбуждение активных ионов, криостат с образцом, спектрометр и высокочувствительныйохлаждаемый фотодиод для регистрации сигнала фотолюминесценции [23]. При такой постановке эксперимента накладываются существенные требования на мощность возбуждающегоисточника и чувствительность приёмной аппаратуры.Использование электронного механизма ИПП для наблюдения электронных переходовпозволяет обойти ряд этих трудностей. В частности, необходимая чувствительность фотоприёмника определяется диапазоном изменения разности фаз при селективном импульсномвозбуждении и интенсивностью зондирующего излучения, которую можно сделать достаточно большой для регистрации сигнала произвольным фотодиодом.В настоящей работе приводится демонстрация данной методики применительно к измерению безызлучательного времени жизни ионов Er3+ в состоянии 4 11/2 , при возбуждении надлине волны 979 нм.
Объектом для измерений является коммерчески доступное одномодовоеактивное эрбиевое волокно Lucent HP980, параметры которого приведены ниже:- Длина волокна — 6 м;- Диаметр сердцевины — 5 мкм;- Концентрация ионов Er3+ — 200 ppm;- Коэффициент поглощения одномодовой накачки (на 979 нм) — 4 дБ/м;Также, как и в схеме измерения кинетик ИПП иттербиевых и иттербий-эрбиевых волокон,исследуемое волокно встраивается в измерительное плечо интерферометра, только в этомслучае не используются брэгговские решётки. Для подавления обратного отражения в активное плечо также помещается оптический изолятор. Ввод одномодового излучения накачкиосуществляется через волоконный мультиплексор на длины волн 980 нм и 1550 нм.В качестве источника излучения накачки используется иттербиевый одномодовый волоконный лазер на длину волны 979 нм с торцевой диодной накачкой.
Путём подбора режима122модуляции тока накачки реализовывается режим генерации первого релаксационного пикас длительностью 0.3 мкс на полувысоте импульса. Данное излучение и использовалось кратковременного импульсного возбуждения активных ионов. Схема экспериментального стендапредставлена на рис. 4.12.Рис. 4.12. Схема экспериментальной установки: DFB - источник зондирующего излучения ( = 1304), — излучение усиленной спонтанной люминесценции на длине волны 1.55, = 979 — длина волны излучениянакачки, PD1 – PD3 - фотоприёмники, WDM — волоконный мультиплексор, ISO — оптический изолятор,OSС - четырёхканальный цифровой осциллограф, Att. — оптический аттеньюатор.В этом случае цифровой осциллограф детектирует четыре синхронизованные осцилограммы: сигнала модуляции тока накачки, зондирующего излучения (PD1), излучения накачки (PD2) и излучения усиленной спонтанной люминесценции на длине волны 1.55 мкм,распространяющегося противоположно направлению накачки (PD3).
Для компенсации потерь, связанных с прохождением зондирующего излучения через мультиплексор и изоляторв активном плече, в пассивное плечо встраивается оптический аттеньюатор.Ниже на рис. 4.13 приведён пример осциллограмма импульса накачки, а на рис. 4.14показаны соответствующие этому импульсу измеряемые сигналы.Рис.
4.13. Осциллограмма мощности импульсанакачкиНа графике рис. 4.14 значения напряжений, соответствующие осциллограмме сигнала123Рис. 4.14. Пример измеряемых сигналов тока диода накачки, мощности накачки на 979 нм,интерференционного сигнала зондирующего излучения и люминесценции ионов эрбия на длине волны 1.55мкмлюминесценции на 1.55 мкм, отложены по правой шкале, а для остальных сигналов — на левой. Из графика видно, что участок спада сигнала зондирующего излучения соответствуетросту интенсивности люминесценции на 1.55 мкм, т.е. населённости метастабильного состояния 4 13/2 ионов Er3+ , а, следовательно, и уменьшению населённости вышележащего терма411/2 за счёт безызлучательной релаксации.
Таким образом, зависимость разности фаз отвремени на этом участке определяет скорость безызлучательной релаксации на переходе411/2 −→ 4 13/2 .Энергия импульса, приведённого на рисунке 4.13 составила 0.67 мкДж. Всего же былапроведена серия из четырёх измерений с импульсами накачки, имеющими пиковую мощность0.76 Вт, 1.24 Вт, 1.42 Вт, 1,62 Вт и, соответственно, энергии 0.67 мкДж, 1.26 мкДж, 1.81 мкДж,3.14 мкДж, что также соответствует числу фотонов накачки 0.33·1013 , 0.62·1013 , 0.89·1013 ,1.55·1013 .
Зависимости разности фаз от времени, вычисленные по измеренным кинетикамдля всех четырёх измерений представлены на рис. 4.15124Рис. 4.15. Кинетики разности фаз длясерии из четырёх измерений и ихэкспоненциальные аппроксимацииПредставленные кинетики аппроксимируются выражением:∆() = − / + + 0 , ,(4.22)Первое слагаемое отвечает за безызлучательный переход, а остальные слагаемые — за медленную излучательную релаксацию метастабильного состояния. При интерпретации результатов мы предполагаем, что в связи с малой энергией возбуждающих импульсов можнопренебречь влиянием ASE на населённости уровней, и наблюдаемые кинетики обусловленыв основном спонтанными переходами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
