Волоконные лазеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ФОЭТ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Теория лазерных и оптоэлектронных приборов и систем»

По теме «Волоконные лазеры»

Выполнил

ст.гр. ОТ-07-1

Дзюбенко М.И.

2009



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Волоконная оптика

1.1 Общие сведения о волоконной оптике

1.2 Распространение света в оптоволокне

1.3 Основные параметры оптического волокна

1.4 Потери при распространении света в оптическом волокне

2. Элементы волоконных лазеров

2.1 Особенности волоконных лазеров

2.2 Активные добавки волоконных световодов

2.3 Фотоиндуцированные решетки показателя преломления

3. Характеристики волоконных лазеров

3.1 Лазеры на основе световодов, легированных ионами Nd 3 +28

3.2 Лазеры на основе световодов, легированных ионами Yb3+34

3.3 Лазеры на основе световодов, легированных ионами Er 3+ 40

4. ВКР - лазеры

4.1 Однокаскадные ВКР - лазеры

4.2 Многокаскадные ВКР-лазеры

4.3 Составные ВКР - лазеры

Выводы

Список используемых источников



ВВЕДЕНИЕ

Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной лазерной физики и волоконной оптики. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными лазерами, к числу которых относятся следующие:

* эффективный теплоотвод,

* высокое качество выходного излучения,

* высокие стабильность и надежность лазера,

* эффективность накачки,

* компактность и малый вес.

Эти преимущества позволяют волоконным лазерам не только находить свою нишу в ряде применений, но и в некоторых случаях заменять традиционные лазеры. Наибольший интерес с практической точки зрения представляют мощные непрерывные волоконные лазеры на основе активных волоконных световодов, легированных ионами редкоземельных металлов, и волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР).

В современных оптических линиях связи наиболее широко используются полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью. Более перспективным, с этой точки зрения, является использование волоконных лазеров с полупроводниковой накачкой, генерирующих в диапазоне 1,53 - 1,62 мкм. Необходимым элементом таких систем являются оптические усилители, среди которых, как показывают исследования, весьма перспективны ВКР-усилители, созданные на основе волоконных световодов и обладающие большой полосой усиления. Естественно, необходимым элементом любой системы связи являются сами волоконные световоды. Современные системы связи предъявляют весьма жесткие требования к свойствам оптических световодов и, прежде всего, к их оптическим потерям, дисперсии и эффективному сечению моды. Серьезной проблемой является создание одномодовых волоконных световодов с увеличенной эффективной площадью сечения моды, необходимых для ослабления в них нелинейных явлений.

Совершенно противоположные требования предъявляются к волоконным световодам, используемым для генерации или преобразования частоты сверхкоротких оптических импульсов. В качестве источников излучения в оптических системах связи могут использоваться эрбиевые волоконные лазеры и оптические конвертеры, использующие рамановское преобразование частоты. Для преобразования частоты излучения в световодных лазерах эффективным является использование ВКР-конвертеров. Выходные характеристики и эффективность световодных лазеров и конвертеров в значительной мере определяются качеством используемых в них отражателей. Наиболее оптимальным является использование в качестве отражателей брэгговских решеток (решеток показателя преломления), созданных непосредственно в самом световоде.

Для создания высокоэффективных линий связи имеет большое значение разработка методов расчета и способов изготовления новых, более совершенных конструкций и самих световодов.

Фундаментальные исследования нелинейно-оптических явлений в волоконных световодах явились основой создания высокоэффективных оптических усилителей, основанных на использовании ВКР в световодах. Разработанные усилители работают в области максимальной прозрачности волоконных световодов, и их использование открывает широкие возможности дальнейшего совершенствования волоконно-оптических каналов связи.

В качестве примера можно привести разработанные в ИОФАН волоконные ВКР-усилители оптических сигналов в диапазоне 1,3 и 1,5 мкм с коэффициентом усиления ~ 30 дБ, накачиваемые полупроводниковыми излучателями.

Анализ показывает, что одним из наиболее перспективных источников излучения для широкополосных систем связи, использующих частотное уплотнение, является суперконтинуум, генерируемый в волоконных световодах при возбуждении их мощными фемтосекундными лазерными импульсами.



1. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

1.1 Общие сведения о волоконной оптике

Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники, и её определение нельзя считать устоявшимся. Это область науки и техники, которая занимается изучением явлений, возникающих при распространении света в волоконных световодах; применением волоконных световодов и технологией их изготовления. [5]

Это одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной лазерной физики. Успехи этого направления связаны с проведением широких комплексных фундаментальных исследований, которые обеспечили не только создание волоконных световодов с предельно низкими потерями, но и уникальных источников когерентного излучения в необходимом спектральном диапазоне. Однако требование увеличения скорости передачи и обработки информации ставит на повестку дня необходимость создания оптических каналов передачи информации со спектральным уплотнением. Именно на решение этой проблемы в значительной мере и направлены усилия ученых. Дальнейший прогресс невозможен без детальных фундаментальных исследований в области разработки новых элементов систем связи: высокоэффективных источников оптического излучения, оптических усилителей и волоконных световодов. [2].

Волоконный световод - это длинная тонкая нить, как правило, из стекла, имеющая сложную внутреннюю структуру. Оптоволокно широко используется в оптических системах связи, что позволяет передавать информацию на гораздо более дальние расстояния и в гораздо более высоких объемах, в отличие от других средств коммуникации. Волокна используют вместо металлических проводов по той причине, что сигналы по оптоволокну распространяются с меньшими потерями, и что немало важно, являются помехозащищенными от взаимодействия с другими электромагнитными волнами. Специально сконструированные волокна используются в большом многообразии и других приложений, включая сенсоры и волоконные лазеры. [3].

1.2 Распространение света в оптоволокне

волоконный оптика лазер свет

В простейшем случае световод состоит из сердцевины с показателем преломления n1, оболочки с показателем преломления n2 (при этом n1 > n2) и защитного покрытия. Сердцевина и оболочка образуют волноводную структуру, обеспечивающую распространение излучения, а внешнее покрытие (полимерное, металлическое и пр.) предохраняет световод от внешних воздействий.

Рисунок 1.1 - Структура оптоволокна

Распространение света в волоконных световодах основано на явлении полного внутреннего отражения. Это явление наблюдается при переходе излучения из среды с большим показателем преломления (n1) в среду с меньшим показателем (n2).



Рисунок 1.2 - Полное внутреннее отражение света

При углах падения меньше критического угла с, где с - угол между направлением распространения луча и нормалью к поверхности раздела сред, происходит преломление луча в соответствии с законом Снеллиуса (луч 1). При углах падения > с наблюдается полное внутреннее отражение (лучи 2 и 3). Критический угол с определяется соотношением sin с = n2/n1.

Таким образом, если среду с повышенным показателем преломления на достаточно большом расстоянии окружить средой с меньшим показателем преломления, можно обеспечить волноводное распространение света за счёт явления полного внутреннего отражения.

Первая демонстрация волноводного распространения света связана с именем английского учёного Дж.Тиндаля (1820-1893 гг.), который наблюдал такое распространение в струе воды. При этом полное внутреннее отражение обеспечивалось тем, что вода имеет показатель преломления более высокий (1,33), чем воздух (1). Следует отметить, что в настоящее время существует премия Тиндаля, присуждаемая за выдающиеся достижения в области волоконной оптики.[5].

Граница между сердцевиной и оболочкой может быть или резкой, в световоде со ступенчатым профилем показателя преломления, или постепенной, в градиентном волокне, то есть в волокне с плавно изменяющимся в поперечном сечении показателем преломления. [3].



1.3 Основные параметры оптического волокна

К основным параметрам волоконного световода относятся диаметр сердцевины 2a, диаметр оболочки 2b, числовая апертура NA, оптические потери б, длина L.

В зависимости от типа волоконного световода диаметр сердцевины может составлять от 1 до 100 мкм, диаметр оболочки - от 100 до 1000 мкм. Для световодов, используемых в оптических линиях связи, диаметр сердцевины около 10 мкм, оболочки - 125 мкм. [5].

Как известно, свет распространяется по оптоволокну согласно закону полного внутреннего отражения. Так как свет должен падать на границу раздела сред под углом меньше некоторого критического ? c=900 - ? с (где ? с - угол между направлением распространения луча и нормалью к поверхности раздела сред, см. рис.1.2), то по оптоволокну будет проходить только такой свет, который заходит в него под определенным диапазоном углов. Такой диапазон углов называется входной угловой апертурой волокна, и является функцией разности показателей преломления сердцевины и оболочки оптоволокна.

(1.1)

То есть существует максимальный угол ? c между лучом, вводимым в световод, и осью световода, падая под которым свет проникает в оптоволокно так, что распространяется по его сердцевине. Синус этого максимального угла и есть числовая апертура (NA) оптоволокна. Волокно с большей числовой апертурой требует меньшей точности при сращивании волокон. Одномодовое волокно имеет низкую апертуру. [3]. Лучи, введённые в световод под углами больше ? c, не испытывают полного внутреннего отражения, а преломляются и вытекают. На выходе волоконного световода излучение также сосредоточено в конусе с половинным углом ? c.

Волноводные свойства волоконного световода зависят не только от его параметров, но и от длины волны л распространяющегося излучения. Чтобы учесть этот фактор, вводится нормированная частота V.

(1.2)

Значение нормированной частоты, в частности, определяет модовый состав излучения в световоде. С формальной точки зрения, мода - это устойчивое состояние электромагнитного поля внутри световода, одно из решений уравнений Максвелла для заданной структуры. Условно моду световода можно определить и как траекторию распространения света. [5]. Если V < 2,405, то в световоде распространяется лишь одна мода. [4]. Световоды, в которых реализуется такой режим в ближней ИК-области, определяются как одномодовые. При V > 2,405 появляются моды более высоких порядков. Число мод при большом значении нормированной частоты порядка V2/2. Понятие «одномодовости» носит несколько условный характер, т.к. при уменьшении длины волны излучения одномодовый световод становится многомодовым. [5].

1.4 Потери при распространении света в оптическом волокне

Свет, распространяясь по оптоволокну неизбежно подвержен потерям. Существует несколько видов потерь на поглощение света, его рассеяние. Рассмотрим основные факторы, препятствующие стабильному прохождению света в световодах.

На длинных волнах преобладает фононное поглощение. Оно проявляется в виде ряда пиков поглощения в далекой ИК-области (1,8 - 2,8 мкм). Частоты решеточного поглощения определяются акустическими и оптическими колебаниями решетки. Спектр фононного поглощения сложный.

Дополнительные пики потерь (их можно увидеть на графике зависимости потерь в оптоволокне от длины волны распространяющегося излучения) вносят гидроксильные группы ОН.

Рисунок 1.3 - Потери при распространении света в оптоволокне

Распространяясь по волокну, световой сигнал испытывает минимальное затухание порядка <0.2 dB/km лишь в сверхчистых кремниевых волокнах вблизи длины волны 1,5 мкм. Однако для световодов длиной порядка нескольких метров потери на поглощение примесными атомами незначительны [4], что позволяет использовать волоконный световод в качестве активного элемента, сердцевина которого легирована активными ионами, как правило, тех же редкоземельных металлов. [5].



2. ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ

2.1 Особенности волоконных лазеров

Одним из самых ярких достижений волоконной оптики является разработка и создание волоконных лазеров. В обычном лазере в качестве активной среды используется кристалл или стекло, легированное ионами элемента, который люминесцирует при оптическом возбуждении. В качестве таких элементов наибольшее распространение получили редкоземельные металлы - неодим, иттербий, эрбий и др. Для оптического возбуждения применяются мощные лампы или полупроводниковые излучатели. Для получения генерации активный элемент помещается в резонатор, образованный двумя зеркалами - глухим и полупрозрачным, - через которое выходит излучение. Такие лазеры требуют юстировки зеркал и их жёсткой фиксации. Кроме того, существуют проблемы, связанные с нагревом активной среды.

Конструкция существенно упрощается при переходе к волоконному лазеру. В нём активным элементом является волоконный световод, сердцевина которого легирована активными ионами, как правило, тех же редкоземельных металлов. В качестве зеркал, формирующих резонатор, используются внутриволоконные брэгговские решётки с различными коэффициентами отражения, которые просто привариваются к активному световоду. Накачивается такой лазер малогабаритным полупроводниковым излучателем с волоконным выходом, который также приваривается к лазеру. Таким образом, получается компактное и лёгкое устройство, простое в эксплуатации из-за отсутствия механических юстировок, обладающее эффективным теплоотводом из-за большой площади боковой поверхности и высоким качеством выходного излучения, обусловленным волноводным характером его распространения. Все эти факторы делают волоконный лазер надёжным и стабильным источником излучения. Следует подчеркнуть, что за последние 15 лет максимальная выходная мощность волоконных лазеров выросла с 5 до 2000 Вт в непрерывном режиме, а спектральный диапазон их излучения простирается от 0,9 до 2,2 мкм. Это позволяет применять волоконные лазеры для обработки материалов (резка, сварка, сверление), для проведения хирургических операций, зондирования атмосферы, лазерной локации, в системах связи и пр.[5].

Рисунок 2.1 - Схема волоконного лазера

2.2 Активные добавки волоконных световодов

Так же как и в случае твердотельных лазерных источников, наибольшее распространение в качестве активных легирующих добавок волоконных световодов получили ионы лантаноидов, или редкоземельных элементов. Специфические оптические свойства данных элементов определяются тем, что для них характерна достройка внутренней f-оболочки, когда уже заполнились внешние оболочки. Наличие незаполненной внутренней оболочки приводит к появлению ярко выраженной дискретной структуры электронных переходов, которая и обуславливает применение ионов редкоземельных элементов в качестве активной примеси. Применимость активного иона для легирования волоконных световодов на основе кварцевого стекла определяется следующими факторами: во-первых, активный ион должен иметь излучательный переход в ближней ИК-области спектра, где кварцевое стекло наиболее прозрачно. Во-вторых, в кварцевом стекле энергия фононов составляет 400 - 1100 см-1, поэтому наличие энергетических уровней с малым энергетическим зазором внутри оптического перехода приводит к безызлучательной релаксации, препятствуя появлению люминесценции. Поэтому в качестве активной примеси волоконных световодов на основе кварцевого стекла наибольшее распространение нашел ряд элементов, приведенных в таблице 2.1. Там же содержатся данные об области люминесценции этих активных ионов.

Таблица 2.1 - Ионы редкоземельных элементов, использующихся для активации волокон, и спектральные области люминесценции элементов

Активный ион	Область люминисценции, мкм
Nd3+ Nd3+ Nd3+ Ho3+ Er3+ Tm3+ Yb3+	0.92 - 0.94 1.05 - 1.1 1.34 1.9 - 2.1 1.53 - 1.6 1.7 - 1.9 0.98 - 1.16

Отметим, что в волоконных световодах на основе стекол другого состава, в частности флюоридных и халькогенидных, возможно получение лазерной генерации с использованием и других активных ионов, например празеодима. Схемы энергетических уровней элементов, приведенных в таблице 2.1, и используемые оптические переходы представлены на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 - Схема энергетических уровней ионов ряда редкоземельных металлов

Рассмотрим более подробно каждый из легирующих ионов.

Неодим. (Nd3+). Ионы неодима в кварцевом стекле имеют ряд сильных полос поглощения в видимом и ближнем ИК-диапазоне, однако для селективного возбуждения на уровень F5 / 2 чаще всего используется полупроводниковый источник излучения с длиной волны 0.8 мкм. Три основных полосы люминесценции расположены в области 0.92, 1.06 и 1.34 мкм. На этой длине волны лазер работает по четырехуровневой схеме генерации. Это объясняет тот факт, что неодим был первой активной примесью для создания активной среды волоконного лазера, использующего световод на основе кварцевого стекла. Реализация волоконных лазеров с использованием оптического перехода



F3 / 2 Ї?>

I 9 / 2

( л = 0.92 мкм)

затруднена из-за конкуренции со стороны люминесценции в области 1.06 мкм, а генерациявобласти1.34мкм(

F3 / 2 Ї?>

I13 / 2 )-

из-за поглощения из возбужденного состояния. Тем не менее, подавление люминесценции на 1.06 мкм позволило создать эффективный волоконный лазер, излучающий на длине волны 0.92 мкм.

Гольмий(Ho3+).ЭнергетическаясхемаНо3+имеетлазерныйпереход

5 ЇЇ>5 J

с соответствующей длиной волны излучения в области 2 мкм. Время жизни на возбужденном уровне составляет около 0.5 мс. При этом гольмиевый лазер должен работать по трехуровневой схеме, поскольку на той же длине волны существует поглощение из основного состояния. Поэтому для таких лазеров для достижения инверсии необходимой является накачка в интенсивную полосу поглощения.

По этой причине наибольшее распространение нашли твердотельные гольмиевые лазеры с ламповой накачкой в полосы поглощения, расположенные в видимой части спектра. Использование полосы поглощения в области 0.9 мкм, соответствующей переходу для накачки полупроводниковым источником не получило применения вследствие слабой интенсивности указанной полосы.

В то же время, наличие интенсивной полосы поглощения в области 1.15 мкм, соответствующей переходу

5 ЇЇ> 5 J

5,позволяет рассчитывать на существенное улучшение характеристик гольмиевого волоконного лазера при накачке в эту полосу.

Данный спектральный диапазон совпадает с областью минимальных оптических потерь волоконных световодов на основе кварцевого стекла и, следовательно, с диапазоном, используемым в современных волоконно-оптических линиях связи. В сочетании с возможностью применять полупроводниковые источники накачки на 0.98 и 1.45.

1.48 мкм это обусловило широкое использование волоконных световодов, легированных ионами эрбия, а также устройств на их основе. Следует отметить, что квантовая эффективность накачки для этих световодов приближается к 100 %, а большое время жизни на метастабильном уровне, составляющее около 10 мс, позволяет достигать высоких коэффициентов усиления.

Данная полоса проявляет два максимума с центрами на 915 и 976 нм, поэтому для накачки используются полупроводниковые источники, излучающие в этих спектральных диапазонах.

Время жизни на метастабильном уровне для алюмосиликатного стекла составляет около 0.8 мс. Это позволяет реализовать широкий набор волоконных источников для диапазона 0.98 - 1.2 мкм с различными спектральными и энергетическими характеристиками.

2.3 Фотоиндуцированные решетки показателя преломления

Фотоиндуцированные брэгговские решетки показателя преломления используются в волоконных лазерах в качестве селективных отражателей, образующих лазерный резонатор. Получение фотоиндуцированных решеток показателя преломления стало возможным после обнаружения фоточувствительности световодов, т. е. стабильного изменения показателя преломления материала сердцевины световода под действием УФ излучения определенных длин волн. В общем случае под фотоиндуцированной внутриволоконной брэгговской решеткой показателя преломления следует понимать отрезок волоконного световода с модуляцией показателя преломления в световедущей области с амплитудой на уровне 10-5 - 10-3 и периодом порядка длины волны распространяющегося излучения.

Основными характеристиками решетки являются период модуляции показателя Л, величина наведенного изменения показателя преломления дn, число штрихов N или длина решетки L. На рис. 2.3 представлен типичный спектр пропускания брэгговской решетки с параметрами L=5 мм,

дn = 8 Е 10 ?4,

Л =0.4 мкм.

Решетка обеспечивает коэффициент отражения R ? 0.99 на длине волны 1136 нм, при этом ширина спектра отражения составляет около 0.4 нм. Такие решетки, имеющие высокий коэффициент отражения и большую ширину спектра отражения, обычно используются в качестве входных отражателей волоконных лазеров.



Рисунок 2.3 -Типичный спектр пропускания брегговской решетки

2.4 Активные волоконные световоды

Под активными понимают волоконные световоды, в состав материала которых входят ионы элементов, обладающих оптическими переходами. При этом активный ион может вводиться как в сердцевину световода, так и в его отражающую оболочку, если по ней распространяется заметная часть оптической мощности. Для производства активных волоконных световодов используется ряд технологических процессов: MCDV (модифицированное химическое осаждение из газовой фазы), OVD (внешнее осаждение из газовой фазы), VAD (аксиальное осаждение из газовой фазы) и другие. Для введения активной примеси в этих процессах наибольшее распространение нашли метод пропитки, когда непроплавленный пористый материал сердцевины пропитывается раствором соли активной добавки, и легирование из летучих соединений.

Следует отметить, что максимальная концентрация активных ионов в сетке кварцевого стекла невелика и ограничивается их растворимостью, а также возникновением кооперативных эффектов. [1]. Кооперативные явления - это явления в многочастичной системе, связанные с когерентным (согласованным) взаимодействием большого числа частиц. [6]. Это приводит к тому, что длина активной среды волоконного лазера может достигать нескольких десятков метров. Поэтому естественным требованием к активным волоконным световодам является наличие достаточно низких нерезонансных оптических потерь. Приемлемое значение потерь составляет от 5 до 20 дБ/км, в этом случае их влияние на эффективность лазера составляет не более нескольких процентов. На рис. 2.4 представлен спектр оптических потерь волоконного световода, легированного ионами Yb3+ с концентрацией 8 1019 см-3. Сердцевина данного образца была также легирована Al2O3, что позволяет, как увеличить предел растворимости редкоземельных ионов в кварцевом стекле, так и уменьшить вероятности их кластеризации, приводящей к кооперативной ап-конверсии.

Рисунок 2.4 - Спектр оптических потерь в сердцевине оптического световода при концентрации ионов Yb3+ n = 8 х 1019 см-3

Как уже отмечалось, мощные полупроводниковые источники для накачки волоконных лазеров требуют применения волоконных световодов с двойной оболочкой. В качестве активной среды мощных волоконных лазеров используются световоды, состоящие из одномодовой сердцевины, легированной как активной примесью редкоземельного элемента, так и примесями, формирующими профиль показателя преломления, а также из внутренней оболочки из кварцевого стекла и внешней оболочки с показателем преломления, пониженным по сравнению с таковым для кварцевого стекла. Модельный профиль показателя преломления данных световодов показан на рис. 2.5, а.

Внутренняя оболочка (вместе с внешней оболочкой) образует многомодовый световод, по которому распространяется излучение накачки. Она имеет типичный размер 0.1 - 1 мм, что обеспечивает возможность ввода излучения накачки от полупроводниковых источников с мощностью от нескольких единиц до нескольких десятков ватт. При распространении по многомодовому световоду излучение накачки поглощается активными ионами редкоземельного элемента, вызывая люминесценцию, которая при наличии обратной связи может развиться в лазерную генерацию. При этом область генерации оказывается локализованной в одномодовой сердцевине, т. е. ее характерный поперечный размер составляет 5 - 10мкм. Принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера иллюстрируется на рис. 2.5,б.

Таким образом, волоконный лазер с накачкой в оболочку может рассматриваться как устройство, позволяющее повысить яркость полупроводникового источника в сотни раз (естественно, на другой длине волны).

Рисунок 2.5 - Модельный профиль показателя преломления (а) и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера (б).



Для наиболее распространенного типа волоконных световодов с двойной оболочкой в качестве материала внешней оболочки используются полимеры с низким показателем преломления. В частности, это силиконовая резина, обеспечивающая числовую апертуру многомодового световода NА -- 0.38, и тефлон АF, позволяющий увеличить NА до 0.6. Как правило, световоды с полимерным покрытием имеют внешний диаметр 100 - 300 мкм.

К недостаткам использования силиконового покрытия следует отнести высокий уровень оптических потерь для излучения накачки, который составляет 50 дБ/км и более. Использование тефлона позволяет получать световоды с оптическими потерями в оболочке 10 дБ/км. Кроме того, данный материал обладает высоким пропусканием в УФ части спектра, что позволяет записывать решетки без удаления полимера. Однако тефлоновое покрытие имеет малую толщину (10 - 20 мкм), что увеличивает риск повреждения световода. [1].

Оптические волокна с внутренней оболочкой круглой формы (см. рис. 2.6) являются неэффективными в смысле обеспечения связи мод внутренней оболочки с активированной сердцевиной, хотя и отличаются относительной простотой изготовления и соединения волокон. Причина заключается в том, что излучение в силу круговой симметрии не пересекает сердцевину волокна, расположенную в его центре, и следовательно, не обеспечивает должным образом накачку. Изгиб волокна в большинстве случаев не приводит к положительному результату. Смещение сердцевины к краю внутренней оболочки зачастую дает положительный эффект, однако это усложняет процесс производства волновода и его соединение.



Рисунок 2.6 - Геометрия накачки в оболочку круглой формы с центрированной и смещенной к краю сердцевиной

Внутренние оболочки волокон некруглой формы (см. рис. 2.7), в частности, многоугольники, оболочки в форме буквы D, прямоугольные оболочки являются эффективным путем повышения накачки активной сердцевины.

Рисунок 2.7 - Геометрия накачки во внутренние оболочки некруглых форм

Многоугольные оболочки трудны в изготовлении, зато их легко соединять, так как они обладают осевой симметрией по отношению к активной сердцевине. Оболочки в форме английской буквы D можно изготовить путем простого «шлифования» части круглой оболочки, но такие волноводы непросты в соединении.[7].

Для определения эффективности поглощения в оптических волокнах с различной геометрией внутренней оболочки рассматривалось несколько образцов, изготовленных из одной заготовки с сердцевиной, легированной иттербием. Данные световоды имели следующие форму и параметры внутренней оболочки: круглая (диаметром 125 мкм), D-образная с одной сошлифованной гранью (125 х 100 мкм), прямоугольная (150 х 75 мкм), квадратная (125 х 125 мкм). Для этих образцов было измерено поглощение в полосе иттербия для двух конфигураций: для прямых световодов и для световодов, изогнутых в форме восьмерки с радиусом изгиба 1 см. Использование последней конфигурации должно было способствовать перемешиванию мод оболочки и увеличению поглощения в полосе Yb3+, если связь части мод оболочки с сердцевиной отсутствует для прямого оптического волокна. Из результатов измерений, представленных в табл.2.2, следует, что введение нерегулярного изгиба световода приводит к изменению поглощения только для образца с круглой формой внутренней оболочки, поэтому можно сделать вывод, что каждая использованная некруглая геометрия внутренней оболочки позволяет получить эффективность поглощения накачки, близкую к 100%.

Таблица2.2 - Влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в световоде, легированном ионами Yb3+

Геометрия оболочки	Поглощение на 978 нм (дБ/м)
	прямое волокно	«восьмерка»
Круглая D - образная Прямоугольная Квадратная	0.3+0.05 2.2+0.05 3.5+0.05 3.3+0.05	0.6+0.05 2.2+0.05 3.5+0.05 3.3+0.05

D - образная форма выглядит наиболее простой для изготовления, поскольку требуется сошлифовка лишь одной грани заготовки. Однако сварка такого световода со световодом, имеющим круглую форму оболочки и используемым для изготовления брэгговских решеток, приводит к достаточно большим потерям в точке соединения из-за его асимметричной формы. Таким образом, оптимальной геометрией оболочки является квадратная форма, позволяющая добиться как высокой эффективности поглощения излучения накачки, так и малых оптических потерь при сварке с круглыми волокнами. Следует отметить, что можно использовать и другие геометрии оболочки, в частности шестигранную форму.

Для ряда задач необходимо использовать активные световоды с малым диаметром внутренней оболочки (30-60 мкм), накачиваемые более яркими полупроводниковыми источниками. Применение световодов с полимерным покрытием вызывает трудности из-за слишком малого внешнего диаметра, который не допускает использования сварочных аппаратов для соединения с другими волоконными световодами. В этом случае можно применять волоконный световод с двойной оболочкой на основе кварцевых стекол разного состава. В таком световоде в качестве внешней оболочки используется опорная труба из кварцевого стекла, а в качестве внутренней кварцевое стекло с достаточно большим содержанием GeO2. Недостатком этой конструкции является ограничение сверхучисловой апертуры световода на основе внутренней оболочки из-за разрушения заготовки, обусловленного разностью коэффициентов термического расширения для материалов внутренней и внешней оболочек. Вероятность разрушениязаготовки повышается при больших геометрических размерах осажденной оболочки. Поэтому на практике числовая апертура для излучения накачки составляет 0.2 - 0.25, что существенно ограничивает вводимую мощность накачки.

Другим вариантом является использование активного световода с микроструктурированной оболочкой, поперечное сечение которого представлено на рис.2.8. На нем черными кружками обозначены воздушные промежутки. Характерное значение числовой апертуры таких световодов составляет 0.5 и ограничивается вытеканием мод высших порядков через перемычки, поддерживающие внутреннюю оболочку. Большое значение NА позволяет увеличить плотность накачки в несколько раз по сравнению с предыдущей конструкцией световода при использовании идентичных источников накачки и сохранении диаметра внутренней оболочки.[1].



Рисунок 2.8 - Схема волоконного световода с микроструктурированной оболочкой.

2.5 Схемы накачки активных световодов

Для накачки активного волоконного световода с двойной оболочкой было предложено несколько способов. Наиболее простым из них является случай торцевой накачки, когда излучение полупроводникового источника вводится в активный световод через торец (см. рис. 2.9). Достоинством такого способа является возможность его использования для всех описанных выше типов световодов с двойной оболочкой. К его недостаткам относится возможность использования лишь одного источника накачки (лазерного диода или их сборки), поэтому вводимая в световод мощность ограничена современными возможностями полупроводниковой технологии.



Рисунок 2.9 - Схема накачки активной среды через торец

Две других схемы накачки используют принцип распределения вводимого излучения накачки по длине активного световода. Так, для ввода накачки предлагается использовать набор У-образных канавок, изготовленных на боковой поверхности световода. Принцип ввода накачки показан на рис. 2.10. Несомненным достоинством такого способа является возможность добавления источников по длине активного световода по мере истощения мощности от предыдущего источника. К недостаткам следует отнести необходимость фиксации полупроводникового лазера относительно активного световода и защиты области ввода от внешних воздействий.

Рисунок 2.10 - Схема накачки через V - образную канавку

Особенностью другого способа накачки является использование специального двойного волоконного световода, представляющего собой два волоконных световода с общим полимерным покрытием, имеющим пониженный по сравнению с кварцевым стеклом показатель преломления (ОТУ-световод). Один из световодов (активный) имеет сердцевину, легированную ионами иттербия, а второй (пассивный) представляет собой волокно из высокочистого кварцевого стекла. Соответствующая конфигурация представлена на рис. 2.11.

Рисунок 2.11 - Схема накачки с использованием двойного световода

Излучение накачки от полупроводникового излучателя вводится в пассивный световод. В области контакта световодов происходит перераспределение мощности накачки, введенной в пассивный световод, по двум световодам, при этом отношение мощностей накачки в обоих световодах определяется отношением площадей их оболочек.

При распространении по активному световоду поглощение части накачки в его сердцевине компенсируется дополнительной перекачкой излучения из пассивного световода, необходимой для поддержания постоянного отношения мощностей накачки в активном и пассивном световодах.

Таким образом, происходит распределенная накачка по всей длине активного световода. В данной схеме возможно использование двух источников накачки, излучение которых вводится с противоположных концов пассивного световода, а также разрыв пассивного световода в области истощения мощности накачки и добавление следующего источника (рис. 2.11).

Кроме того, можно увеличить число пассивных световодов в сборке, что позволит, в свою очередь, увеличить количество источников накачки.

2.5 Особенности волоконных световодов как усилительной среды

Активные волоконные световоды как усилительная среда обладают рядом особенностей по сравнению лазерными кристаллами и стеклами. Так, волноводный характер распространения фотонов накачки и сигнала, как правило, исключает потери на их излучение через боковые поверхности среды. Только при неправильном выборе параметров световода, либо при наличии изгиба световода с малым радиусом могут возникать излучательные потери. Это является несомненным преимуществом волоконных лазеров по сравнению с обычными твердотельными лазерами. Однако характерная длина активной среды волоконных лазеров составляет единицы и десятки метров, поэтому при анализе их эффективности существенным является учет нерезонансных оптических потерь как излучения накачки, так и излучения сигнала.

Другие особенности волоконных лазеров обусловлены тем, что в одномодовом волоконном световоде излучение распространяется не только в сердцевине, но и в отражающей оболочке, при этом доли мощности в сердцевине и оболочке могут оказаться сопоставимыми. Кроме того, можно вводить активную примесь не во всю сердцевину, а лишь в часть ее, либо легировать часть оболочки световода. В принципе, можно легировать различные области световода разными активными примесями, при этом взаимодействие ионов в общепринятом смысле отсутствует, а есть лишь их оптическая связь.

Таким образом, классические выражения для усиления в случае волоконных световодов должны быть модифицированы. Приведем соотношения для эволюции мощности сигнала и накачки в трехуровневой схеме усиления, по которой работает большинство реализованных волоконных лазеров:

(2.5)

(2.6)

Где и PS, PP, лS, лP - мощности и длины волн излучения сигнала и накачки соответственно; ( у a,у e - сечения поглощения и люминесценции; N0 и N1 - населенности основного и метастабильного уровней; б S,б P - коэффициенты нерезонансных потерь для сигнала и накачки; ч S, ч P - интеграл перекрытия полей излучения сигнала и накачки с активной областью.

(2.7)

где Е(r) - радиальное распределение соответствующего поля; r1 и r2 - границы области световода, легированной активными ионами.

В случае накачки в оболочку световодач p можно приблизительно оценить как

ч P E Sd/ Scl (2.8)

где Sd, Scl - площади поперечного сечения легированной области и оболочки, по которой распространяется накачка. Приведенное соотношение является весьма приблизительным, поскольку интеграл перекрытия излучения накачки в данном случае зависит от распределения интенсивности излучения источника накачки, способа возбуждения, формы оболочки и т. д. Тем не менее, ясно, что использование накачки в оболочку эквивалентно существенному уменьшению сечения поглощения на длине волны накачки. [1].



3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ

3.1 Лазеры на основе световодов, легированных ионами Nd 3+

Рассмотрим схему энергетических уровней, поглощательных и излучательных переходов в кремниевых световодах, легированных ионами Nd 3+.

Накачка в таких средах происходит вблизи значения длины волны 800 нм, что соответствует оптическому переходу между энергетическими уровнями I 9 / 2 и F5 / 2 (см. рис. 3.1). Далее происходит быстрая релаксация на метастабильный уровень

F3 / 2, откуда соответственно возможны разрешенные согласно правилам изменения квантовых чисел (Дn = ±1, Дl = ±1 ) излучательные переходы на уровни I 13 / 2, I11 / 2, I 9 / 2 с длинами волн в районе 1360 нм, 1050 - 1090 нм, 905 - 940 нм. [7].

Наиболее часто лазерная генерация происходит вблизи длины волны 1060 нм. Спектральная характеристика поперечного сечения излучения вблизи длины волны 1060 нм представлена на рис. 3.2. Полуширина линии излучения на полувысоте приблизительно равна 22 нм.[4].

Рисунок 3.1 - Основные лазерные переходы высокомощных волоконных кремниевых устройств, легированных ионами Nd 3+



Рисунок 3.2 - Поперечное сечение излучения в ионе Nd 3+

Остановимся на эффекте Штарка в таких волноводах. Напомним, что эффект Штарка проявляется в расщеплении спектральных линий атомов, молекул и других квантовых систем в электрическом поле. Эффект был открыт в 1913 Й. Штарком на линиях Бальмера серии водорода.

Эффект Штарка получил объяснение на основе квантовой механики. Атом (или другая квантовая система), находясь в состоянии с определенной энергией е, приобретает во внешнем электрическом поле, дополнительную энергию Д е вследствие его поляризуемости - приобретения в поле дипольного момента.

Уровень энергии, которому соответствует одновозможное состояние атома (невырожденный уровень), в электрическом поле характеризуется энергией е + Д е, т.е. смещается. Различные состояния, соответствующие вырожденному уровню энергии, могут приобретать разные дополнительные энергии Д е б (б = 1,2,3,…,g, где g -степень вырождения уровня). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число которых равно числу различных значений дополнительной энергии Д е б. Так, уровень энергии атома с заданным значением полного момента M = h



J ( J + 1 )

(где J=0,1,2,…- соответствующее квантовое число) расщепляется на подуровни, характеризуемые разными значениями магнитного квантового числа mJ, которое определяет величину проекции M на направление E. В однородном электрическом поле, обладающем аксиальной симметрией, сохраняется квантование проекции M. Однако в отличие от расщепления в магнитном поле при эффекте Зеемана на 2J+1 невырожденных подуровня (т.е. mJ = -J, -J+1, -J+2,…, 0, …, J-2, J-1, J), значениям- mJ и + mJ соответствует одинаковая дополнительная энергия Д е б, поэтому штарковские подуровни (кроме подуровня с J=0) дважды вырождены и уровень с заданным J расщепляется при целом J на J+1 уровень, а при полуцелом J на J+1/2 подуровней (при J=1/2 вообще не расщепляется). Двукратное вырождение в случае атомов с нечетным числом электронов, для которых значения J полуцелые, сохраняется и в неоднородных электрических полях. [6].

Существует линейный и квадратичный эффект Штарка. Штарковское расщепление уровней Д е может быть пропорционально электрическому полю E (линейный эффект Штарка) и пропорционально Е2 (квадратичный эффект Штарка). Последний случай реализуется в атомах, обладающих центром симметрии и поэтому не имеющих постоянного электрического дипольного момента d. Под действием электрического поля такой момент индуцируется в атоме

d = ч00 E,

где ч00 -поляризуемость атома, и поэтому энергия взаимодействия, как это следует из раздела электростатики в курсе физики,



Де = d Е E = ч00 E (3.1)

В случае же, когда атом или молекула (например, водородоподобные атомы или ряд молекул) обладают постоянным электрическим дипольным моментом d. имеет место линейный эффект Штарка.

Де = d Е E (3.2)

В линейном эффекте Штарка Д е пропорциональна величине электрического поля E [8].

Важный случай эффекта Штарка - расщепления электронных уровней энергии иона в ионном кристалле (а также примесного иона в молекулярном кристалле, содержащем дипольные молекулы) под действием внутрикристаллического поля. Штарковское расщепление в этом случае может достигать сотых долей эВ. Этот эффект учитывается в спектроскопии кристаллов и важен для твердотельных и лазеров. [6]

Вернемся к обсуждению влияния эффекта Штарка на энергетические уровни в кристаллах кремния с примесью ионов Nd 3+. Каждый уровень иона, как и ожидалось, расщепляется на несколько подуровней и вырождение по энергии подуровней поддерживается благодаря влиянию соседних ионов Nd 3+. А также быстрые переходы фононов между подуровнями вызывают уширение времени жизни за исключением низких температур. [7]

Волоконный лазер на основе световода, легированного ионами Nd 3+, излучающий в области 1.06 мкм, был первым лазером, который использовал накачку в оболочку. Это определялось тем, что первые мощные полупроводниковые системы накачки имели невысокую яркость, и для ввода излучения накачки необходимо было использовать активные световоды с размером внутренней оболочки в несколько сотен микрометров. В результате инверсия населенности была также небольшой, и генерация оказывалась возможной лишь в системах, работающих по четырехуровневой схеме (рис. 3.3), где отсутствует перепоглощение сигнала.

Рисунок 3.3 - Четырехуровневая модель лазера

В течение нескольких лет после первой публикации выходная мощность неодимовых лазеров превысила 30 Вт. На рис.3.4 представлены типичные (спектральная и мощностная) характеристики неодимового волоконного лазера на основе световода с оболочкой размером 290 х 290 мкм и активированной сердцевиной диаметром 5 мкм. Для накачки использовалась диодная матрица с длиной волны излучения 0.81 мкм.

Рисунок 3.4 - Зависимость выходной мощности неодимового волоконного лазера от мощности накачки. На вставке - спектр генерации лазера.



Заслуживает внимания работа, в который был продемонстрирован волоконный лазер, излучающий одновременно на двух длинах волн 1060 и 1090 нм. Сердцевина световода была легирована добавками алюминия и германия. При этом активные ионы попадали в различное окружение и имели разные спектры люминесценции.

При введенной мощности накачки 8.5 Вт лазер излучал более 3 Вт на длине волны 1060 нм и более 1 Вт на длине волны 1090 нм.

Значительный интерес представляют результаты разработки неодимового лазера с длиной волны генерации в области 0.92 мкм. Такие лазеры могут найти применение для накачки иттербиевого волоконного лазера, излучающего в области 0.98 мкм. В свою очередь, иттербиевый лазер, имеющий достаточно высокую мощность, может использоваться для накачки эрбиевых волоконных усилителей. Неодимовый лазер также может быть использован в схемах удвоения частоты для получения излучения в синей области спектра. Как уже отмечалось, реализация волоконных лазеров с использованием оптического перехода

F3 / 2 Ї?>

I 9 / 2

затруднена из-за конкуренции со стороны люминесценции в области 1.06 мкм, поэтомуосновной проблемой создания такого лазера является подавление люминесценциив этой области. Для этого использовался специальный волоконный световод с волноводной структурой, характеризующейся значительными потерями на вытекание в спектральной области л > 1 мкм. Это позволило реализовать волоконный лазер с выходной мощностью 0.5 Вт на длине волны 925 нм. Спектр излучения лазера представлен на рис.3.5 Видно, что подавление люминесценции на л = 1060 нм составило около 60 дБ. На рис.3.6 представлена зависимость выходной мощности от мощности поглощенной накачки. Дифференциальная эффективность генерации составила около 35%.

Рисунок 3.5 - Спектр излучения неодимового волоконного лазера на л = 925 нм: линия излучения накачки (а), линия генерация на 925 нм (б), излучение на 1060 нм (в). На вставке схема лазера: 1 - излучение накачки; 2 - выходное излучение; З - активный световод; 4, 5 - брэгговские решетки.

Рисунок 3.6 - Зависимость выходной мощности неодимового волоконного лазера на л =925 нм от поглощенной мощности накачки.



3.2 Лазеры на основе световодов, легированных нонами Yb3+

Энергетическая схема уровней ионов в кварцевом стекле чрезвычайно проста: помимо основного уровня F7 / 2 существует единственный возбужденный уровень F5 / 2 (см. рис.2.2). Отсутствие других энергетических уровней вплоть до УФ диапазона означает, что в данной системе должно отсутствовать поглощение из возбужденного состояния и кооперативная ап- конверсия. Это позволяет существенно увеличить концентрацию активной примеси по сравнению с такими распространенными легирующими добавками, как неодим и эрбий. Использование световодов с высокой концентрацией активной примеси в свою очередь позволяет уменьшить длину активной среды лазера, а значит, и влияние дополнительных оптических потерь.

Спектры поглощения таких световодов, определяемые электронными переходами между расщепленными уровнями, характеризуются наличием сложной полосы поглощения с центрами на л = 915 и 976 нм. Спектр люминесценции состоит из узкой линии с центром на 980 нм и полосы с максимумом на 1035 нм, простирающейся примерно до 1200 нм (рис.3.7).

Рисунок 3.7 - Спектры поглощения (сплошная кривая) и люминисценции (пунктирная кривая) ионов иттербия в кварцовом стекле



По литературным данным сечения поглощения и люминесценции в максимуме практически совпадают и составляют 2.5 х 10 -20 см2 (кварцевое стекло было легировано алюминием и германием). Следует отметить, что использование накачки в области 976 нм представляется более эффективным из-за большего сечения поглощения. В то же время, в результате накачки в полосу 915 нм может быть получена генерация в области 976 нм. Кроме того, при накачке в полосу 915 нм требования к длине волны излучения источника накачки и ее стабильности при изменении температуры не столь высоки из-за большой ширины этой полосы.

Иттербиевые лазеры в настоящее время являются наиболее распространенным типом волоконных лазеров с накачкой в оболочку. В настоящем обзоре в основном рассматриваются результаты, полученные в НЦВО при ИОФ им. А.М. Прохорова РАН. Для реализации иттербиевого волоконного лазера использовалась схема с брэгговскими решетками, записанными как собственно в активном световоде, так и в отрезках другого световода, сваренного затем с активным.

Использовались активные световоды со следующими параметрами: разность показателей преломления сердцевины и оболочки Дn = (9--11)10-3,диаметр сердцевины 2а = 4.5 -- 5.5 мкм, концентрация ионов иттербия (5 -- 10)1019 см -3.

Размер внутренней квадратной оболочки составил 120 Ч 120 мкм, что обеспечивало 100%-ную эффективность стыковки световода с волоконным выходом полупроводникового источника накачки.

На рис.3.8 представлена типичная зависимость выходной мощности иттербиевого волоконного лазера на длине волны 1100 нм от мощности накачки. Дифференциальная эффективность использования накачки в реализованном лазере составила 80 %, что соответствует квантовой эффективности около 90%. Также показан спектр излучения лазера, измеренный с разрешением 0.01 нм, ширина спектра составила 0.1 нм.



Рисунок 3.8 - Зависимость выходной мощности иттербиевого волоконного лазера от мощности накачки и его спектр излучения.

Как было отмечено выше, особенностью лазеров на основе активных волоконных световодов с накачкой в оболочку является то, что в таких устройствах трудно добиться полной инверсной населенности среды, поскольку эффективное сечение накачки уменьшается пропорционально отношению площадей оболочки и сердцевины световода. Поэтому на эффективность преобразования излучения накачки в лазерное излучение сильное влияние оказывает перепоглощение сигнала неинвертированной частью активных ионов. Спектр поглощения ионов иттербия характеризуется наличием длинноволнового края полосы поглощения с центром на 976 нм, при этом поглощение на длинах волн 1000 и 1060 нм составляет примерно 2 % и 0.2 % от поглощения на длине волны 976 нм соответственно. В то же время максимум люминесценции активных ионов локализован в области 1035 нм и также имеет протяженный длинноволновый край, поэтому эффективность волоконного лазера определяется конкуренцией между люминесценцией и перепоглощением сигнала, в свою очередь определяя спектральную зависимость эффективности преобразования излучения накачки в лазерное излучение.

На рис. 3.9 показана спектральная зависимость дифференциальной эффективности генерации для семи образцов волоконных лазеров. Видно, что максимальная дифференциальная эффективность составляет около 80% и достигается в спектральной области 1.08 - 1.11 мкм. На длине волны 1.049 мкм она спадает до 57%, что объясняется влиянием перепоглощения излучения. В длинноволновой области спад эффективности объясняется резким уменьшением сечения люминесценции.

Рисунок 3.9 - Спектральная зависимость дифференциальной эффективности иттербиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку.

...