Волоконные лазеры

Следует отметить, что полученные результаты справедливы для выбранной геометрии активного волоконного световода, т.е. для данного отношения площадей оболочки и сердцевины, составляющего около 500. Эффективность лазеров в коротковолновой части может быть повышена в результате увеличения диаметра активной сердцевины. Перспективным представляется также использование световодов с уменьшенным размером оболочки. это выглядит возможным, учитывая современную тенденцию увеличения яркости полупроводниковых источников накачки. Использование активных волоконных световодов с уменьшенным диаметром внутренней оболочки является особенно актуальным для реализации лазеров, излучающих в области 980 нм. Интерес к таким лазерам определяется возможностью их использования для накачки мощных эрбиевых усилителей. Как видно из рис. 3.7, поглощение в этой области конкурирует с люминесценцией, что требует создания высокой степени инверсии населенности для получения лазерной генерации.

Для реализации лазера, излучающего в области 980 нм, использовался активный световод с двойной оболочкой на основе стекол разного состава. На рис.3.10 показан профиль показателя преломления заготовки такого волоконного световода.

Рисунок 3.10 - Профиль показателя преломления заготовки активного волоконного световода с оболочками на основе стекол разного состава

Внутренняя оболочка световода являлась кварцевым стеклом с дополнительным легированием GeO2, молярная концентрация примеси в ней была около 10%, что обеспечивало числовую апертуру для излучения накачки, равную 0.22. Роль внешней оболочки в данном случае играла опорная труба из кварцевого стекла. При изготовлении сердцевины использовалось легирование из раствора ионами иттербия и алюминием. Волоконный световод имел диаметр внутренней оболочки около 25 мкм и диаметр сердцевины 10 мкм. Концентрация ионов Yb3+ составляла около 2 Ч 1019 см, что обеспечивало коэффициент поглощения 2.5 дБ м на 915 нм. Входная брэгговская решетка лазера записывалась непосредственно на активном световоде, который предварительно пропитывался водородом. Накачка волоконного лазера осуществлялась полупроводниковым источником излучения с длиной волны 915 нм, позволяющим вводить около 5 Вт мощности в световод с диаметром 50 мкм и NA=0.22.

На рис.3.11 (на вставке) представлен спектр излучения полученного волоконного лазера, генерация имеет место на длине волны 977.5 нм. Максимальная мощность генерации достигалась при использовании в лазере активного волоконного световода длиной 1.5 м. Кроме того, показана соответствующая зависимость мощности генерации от вводимой мощности накачки. Дифференциальная эффективность преобразования накачки в сигнал составила 53 %, а по отношению к поглощенной мощности - 82%.

Рисунок 3.11 - Зависимость выходной мощности лазера на 977.5 нм от входной мощности накачки. На вставке - спектр излучения лазера.

Для ввода большей мощности накачки и, следовательно, достижения более высокой мощности генерации использовался световод с микроструктурированной оболочкой. При этом числовая апертура внутренней оболочки, имеющей диаметр

20 мкм, составила 0.7, выходная мощность излучения на 980 нм 1.4 Вт, при этом поглощенная мощность накачки равнялась 2.5 Вт. К недостаткам предложенной конфигурации следует отнести использование объемных зеркал в качестве отражателей, формирующих резонатор.

В последнее время для создания лазеров с повышенной выходной мощностью все большее распространение находят специальные волоконные световоды, представляющие собой объединение активного световода с пассивными. На рис.3.12 представлен лазер на тройном световоде, являющемся объединением активного световода с двумя пассивными. Использовались четыре источника накачки общей мощностью до 100 Вт. Выходная непрерывная мощность лазера составила 65 Вт на длине волны 1072 нм. Соответствующая зависимость выходной мощности от мощности накачки показана на рис 3.11.

Рисунок 3.12 - Упрощенная схема волоконного лазера на тройном световоде: L1 и L2 - точки разветвления световода, HR - брэгговская решетка с коэффициентом отражения, близким к 100% на длине волны 1072 нм. В качестве выходного зеркала использовался скол световода, перпендикулярный его оси.

3.3 Лазеры на основе световодов, легированных нонами Er 3+

Ионы Er 3+ в кварцевом стекле имеют полосу люминесценции с центром на 1.53 мкм, что позволяет реализовать волоконные лазеры и усилители для спектрального диапазона 1.53 - 1.6 мкм. Соответствующий спектр люминесценции ионов Er 3+ в алюмогерманосиликатном стекле представлен на рис.3.13.

Рисунок 3.13 - Спектры поглощения и люминесценции ионов эрбия в алюмогерманосиликатном кварцевом стекле

Источники излучения на основе волоконных световодов, легированных ионами эрбия, работают по трехуровневой схеме, что подразумевает необходимость достижения высокой степени инверсии населенности. Максимум полосы поглощения практически совпадает с максимумом люминесценции, поэтому в первой работе по реализации эрбиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку использовалась волноводная структура с малым диаметром внутренней оболочки, позволяющим добиться высокой степени инверсии. Диаметр внутренней оболочки составил 22 мкм, числовая апертура равнялась 0.18. При мощности накачки 900 мВт ( л = 980 нм) была получена лазерная генерация мощностью 300 мВт на длине волны 1540 нм. дифференциальная эффективность составила 40 %.

Понятно, что выходная мощность в данном случае ограничивается возможностями ввода мощности накачки во внутреннюю оболочку малого размера. В то же время, как видно из рис.3.13, в спектральной области 1.56 -1.6 мкм (L-полоса) люминесценция доминирует над поглощением. Это позволяет снизить требования к степени инверсии населенности и использовать активные световоды с большим размером внутренней оболочки, и, следовательно, применять более мощные источники накачки. Этот подход был реализован в работе, в которой использовался активный световод с диаметром внутренней оболочки 50 мкм, что позволило получить усиленный сигнал в L-полосе мощностью 1 Вт. Можно предположить, что такие световоды могут быть использованы и для создания лазеров, излучающих в этом спектральном диапазоне.

Для получения лазерной генерации в диапазоне 1.53 -- 1.6 мкм чаще всего используют волоконные световоды, легированные одновременно ионами Yb3+ и Ег3+. В таких световодах эффективное поглощение накачки на длине волны 976 нм обеспечивается ионами Yb3+, которые передают энергию возбуждения ионам Ег3+.

Такая передача оказывается возможной благодаря близости энергетических уровней 2F5/2 ионов иттербия и 4 11/ 2- ионов эрбия. Одной из проблем реализации такого световода является выбор и воспроизведение правильного химического состава сердцевины. Так, для того чтобы снизить вероятность обратной передачи энергии, необходимо уменьшить время жизни ионов Ег3+ на возбужденном уровне I11/ 2, что достигается использованием фосфоросиликатного стекла для материала сердцевины. Кроме того, важным является выбор соотношения концентраций активных ионов. Показано, что максимальная эффективность лазерной генерации (около 50 %) достигается в случае, когда концентрация ионов иттербия превышает концентрацию ионов эрбия в 30 раз.

В настоящее время компанией IPG промышленным образом выпускаются волоконные лазеры с длиной волны излучения в диапазоне 1.53-1.62 мкм и выходной мощностью более 100 Вт. Отметим также, что волоконные световоды, легированные ионами Ег3+ и Yb3+, используются для создания мощных одночастотных волоконных лазеров. Так, был реализован лазер с шириной линии излучения менее 30 кГц и выходной мощностью более 5 Вт (при мощности накачки 25 Вт).

4. ВКР - ЛАЗЕРЫ

Созданные волоконные лазеры на основе световодов, легированных ионами редкоземельных элементов, излучают лишь в определенных спектральных областях, не заполняющих весь ближний ИК диапазон. Использование ВКР (вынужденного комбинационного рассеяния) в волоконных световодах позволяет создавать эффективные преобразователи длины волны излучения лазерных источников и получать лазерную генерацию практически на любой длине волны ближнего ИК диапазона. При этом конфигурация ВКР-лазера и характеристики световода, используемого для преобразования, зависят от длины волны излучения накачки и заданной длины волны излучения конвертера. В качестве источника накачкипредпочтительнее использовать иттербиевый волоконный лазер вследствие высокой эффективности генерации, а также достаточно широкого спектрального диапазона, в котором она достигается.

В данном разделе рассматриваются различные типы лазеров, реализованных и исследованных в НЦВО.

4.1 Однокаскадные ВКР - лазеры

Простейшим типом ВКР-лазера являются устройства, использующие лишь один каскад преобразования. Световод с сердцевиной на основе германосиликатного стекла (Д vst = 440 - 480 см-1) преобразует излучение иттербиевого волоконного лазера в излучение с длиной волны в области 1.1-1.22 мкм.

Для экспериментальной реализации была выбрана конфигурация, позволяющая преобразовать излучение иттербиевого лазера с длиной волны 1.09 мкм в излучение на л = 1.15 мкм. В качестве активной среды ВКР-лазера использовался стандартный волоконный световод «Flexcore-1060» со следующими параметрами: оптические потери - 0.8 дБ/км на л = 1.06 мкм, коэффициент ВКР-усиления в области 1.15 мкм - 5.5±0.5 дБ ? км-1Вт-1. Длина используемого световода составила 500 м, коэффициент отражения выходной брэгговской решетки R = 20 %. На рис.4.1 представлена экспериментальная зависимость выходной мощности конвертера от выходной мощности иттербиевого лазера при длине световода 500 м. Здесь же приведена теоретическая зависимость, рассчитанная на основе модели, описанной в разд.2.5. Из рис.4.1 следует, что эффективность преобразования излучения волоконного лазера превышает 70%.

Рисунок 4.1 - Зависимость выходной мощности однокаскадного ВКР - конвертера на основе германосиликатного световода от мощности иттербиевого лазера.

Волоконные световоды с сердцевиной на основе фосфоросиликатного стекла характеризуются наличием дополнительного пика комбинационного рассеяния с максимумом в области 1330 см -1. Как правило, такие световоды имеют молярное содержание оксида фосфора 13-15% и оптические потери - 1.8 дБ/км на длине волны 1.06 мкм, спадающие примерно до 1 дБ/км в области 1.5 мкм. Поэтому однокаскадные ВКР-преобразователи излучения иттербиевого волоконного лазера на основе таких световодов позволяют получать излучение с длиной волны в области 1.22-1.35 мкм. При использовании в качестве источника накачки неодимового волоконного лазера возможно реализовать ВКР-лазеры с длиной волны излучения в области 1.24 мкм с эффективностью преобразования около 70%. На рис.4.2 показана зависимость выходной мощности ВКР-лазера на длине волны 1234 нм от мощности волоконного лазера, излучающего на длине волны 1060нм. Спектр излучения ВКР-лазера представлен на вставке к рис.4.2. Особенностью реализованной схемы являлось то, что брэгговские решетки, формирующие резонатор ВКР-лазера, записывались непосредственно в фосфоросиликатном световоде. Это позволило снизить внутрирезонаторные потери и увеличить эффективность преобразования.

Рисунок 4.2 - Зависимость выходной мощности однокаскадного ВКР - лазера от мощности накачки на входе в фосфоросиликатный световод. На вставке представлен спектр излучения на выходе ВКР-лазера.

Значительный интерес представляет создание ВКР-лазеров на основе волоконных световодов с исключительно высокой (более 50%) концентрацией Ge02 в сердцевине. В этом случае за счет более высокой нелинейности германатного стекла, чем плавленого кварца, и малого диаметра сердцевины световода удается получать коэффициенты ВКР-усиления, составляющие сотни дБ  км-1Вт-1, что позволяет существенно уменьшить длину активной среды ВКР-лазера. Так был продемонстрирован ВКР-лазер на основе волоконного световода с молярной концентрацией двуокиси германия в сердцевине 75 % и коэффициентом ВКР-усиления,составляющимоколо300дБ км-1Вт-1.Длинарезонатора волоконного лазера составила всего 3 м. При этом эффективность преобразования излучения иттербиевого лазера (л = 1.07 мкм) в излучение на длине волны 1.12 мкм составила 70%. Соответствующая зависимость выходной мощности ВКР-лазера от мощности накачки Yb-лазера представлена на рис.4.3.

Рисунок 4.3 - Зависимость выходной мощности ВКР-лазера на основе германатного световода от мощности накачки.

4.2 Многокаскадные ВКР-лазеры

Для получения излучения в спектральной области л > 1.35 мкм необходимо использовать многокаскадные ВКР-лазеры. Так, использование четырехкаскадного ВКР-преобразования в германосиликатном световоде позволяет генерировать излучение в диапазоне 1.35-1.45 мкм при накачке световода излучением иттербиевого волоконного лазера. Однако увеличение числа каскадов значительно усложняет схему лазера, т. к. растет число пар брэгговских решеток, резонансные длины волн которых должны выдерживаться с высокой точностью. Кроме того, брэгговские решетки вносят избыточные оптические потери (около 0.05 дБ на решетку), что снижает эффективность преобразования. Поэтому актуальным является поиск новых активных сред ВКР-лазера.

Существенный шаг вперед был сделан при использовании световода с фосфоросиликатной сердцевиной, в котором наблюдается усиление не только на частоте стоксова сдвига 1330 см-1, но и на частоте со сдвигом 440 см-1, соответствующим максимуму ВКР в чистом плавленом кварце, который является основным материалом световода. Таким образом, появилась возможность использования двух различных сдвигов в одном и том же волоконном световоде. Был реализован ВКР-лазер с длиной волны излучения 1407 нм, использующий одно преобразование со сдвигом 1330 см -1 и два преобразования со сдвигом 440 см -1. Максимальная мощность излучения на длине волны 1407 нм составила 1 Вт, эффективность преобразования-25 %. Такая же конфигурация была использована для создания лазера с длиной волны 1430 нм и максимальной выходной мощностью 1.3 Вт (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 - Спектр излучения ВКР-лазера на основе фосфоросиликатного световода с использованием стоксовых сдвигов 440 и 1330 см-1.

Особый интерес вызывают ВКР-лазеры, излучающие в диапазоне 1.45 -1.6 мкм, соответствующем спектральной области, которая широко используется для волоконно-оптической связи. В частности, такие лазеры могут применяться для накачки ВКР- и эрбиевых усилителей.

Наиболее просто лазеры данного диапазона реализуются на основе фосфоросиликатного световода при двухкаскадном преобразовании частоты. Проведен теоретический анализ зависимости эффективности такого лазера от мощности накачки, длины используемого волоконного световода и коэффициента отражения выходной брэгговской решетки. Для расчета использовались параметры фосфоросиликатного волоконного световода с концентрацией Р205, составляющей 13 %. Использовалась исходная длина волны 1061 нм и конечная - 1480 нм.

Оптические потери фосфоросиликатного световода составили 1.55, 0.92 и 0.75 дБ/км на длинах волн 1061, 1240 и 1480 нм соответственно. Коэффициенты усиления составили 5.5 и 4 дБ км-1Вт-1 на длинах волн 1240 и 1480 нм. Кроме того, при расчете учитывались внутрирезонаторные потери, обусловленные сваркой фосфоросиликатного световода со световодом, на котором записывались брэгговские решетки, а также дополнительным рассеянием на решетках. В сумме эти дополнительные потери оценивались в 8 %. Результаты расчета отражены на рис.4.5.

Рисунок 4.5 - Зависимости коэффициента преобразования (в %) двухкаскадного ВКР-лазера от длины L используемого фосфоросиликатного световода и коэффициента отражения Rout выходной решетки для различных значений введенной мощности накачки Pin.

На рис.4.6 показаны экспериментальные и расчетные зависимости выходной мощности ВКР-лазера от введенной мощности иттербиевого лазера.

Для повышения эффективности ВКР-конвертера брэгговские решетки записывались непосредственно в фосфоросиликатном световоде, что позволило снизить внутрирезонаторные потери, при этом эффективность преобразования конвертера составила 45 %.

Рисунок 4.6 - Зависимость выходной мощности двухкаскадного ВКР-лазера на основе фосфоросиликатного световода ( л = 1480 нм) от введенной мощности иттербиевого лазера Pin ( л = 1061 нм).

4.3 Составные ВКР-лазеры

Длинноволновая граница эффективного преобразования устройств, описанных в разд.4.2., составляет 1.6 мкм. В случае ВКР-лазеров она определяется конфигурацией, основанной на двухкаскадном ВКР-преобразовании в фосфоросиликатном волоконном световоде, и длинноволновым краем генерации иттербиевых волоконных лазеров (1.12 мкм), где эффективность лазера превышает 60 %. В то же время, спектральный диапазон в области 1.6-1.8 мкм также представляет интерес для ряда применений.

Для генерации излучения в этой области можно использовать ВКР-лазер на основе фосфоросиликатного волоконного световода с двумя сдвигами частоты на 1330 см -1, обусловленными компонентой Р205, и одним сдвигом на 440 см -1, обусловленным кварцевым стеклом. К сожалению, фосфоросиликатные волоконные световоды в настоящее время имеют значительно большие оптические потери, чем световоды на основе германосиликатного стекла (0.8 - 1 дБ/км против 0.2 дБ/км в области 1.5 мкм). При дальнейшем увеличении длины волны оптические потери в фосфоросиликатных волоконных световодах из-за влияния края фононного поглощения растут быстрее, чем потери в германосиликатных световодах. Поэтому схема с одновременным использованием стоксовых сдвигов, обусловленных фосфорной и кварцевой составляющими материала световода, выглядит неперспективной. В то же время, в германосиликатных световодах потери растут существенно медленнее, и в телекоммуникационных волоконных световодах они в этой спектральной области составляют около 0.25 дБ/км.

Использование волоконных световодов на основе германосиликатного стекла в качестве активной среды требует использования семикаскадного преобразования для получения излучения с длиной волны более 1.6 мкм. Такая схема сложна в изготовлении и малоэффективна из-за высокой общей пороговой мощности накачки, поэтому было предложено использовать составной ВКР-лазер, схема которого представлена на рис. 4.7.

Рисунок 4.7 - Схема составного ВКР-лазера. Крестиками показаны точки сварки, около каждой решетки указана резонансная длина волны (в мкм).

Лазер состоит из двух частей: двухкаскадного конвертера на основе фосфоросиликатного световода и однокаскадного преобразователя на германосиликатном световоде. Первая часть преобразователя позволяет получить выходное излучение на длине волны 1533 нм, вторая - на 1649 нм. Максимальная мощность излучения на л = 1533 нм составила 2.07 Вт при мощности полупроводникового лазера накачки 8 Вт. В качестве активной среды второй стадии использовался стандартный телекоммуникационный световод со смещенной в область 1.55 мкм длиной волны нулевой хроматической дисперсии; оптические потери в нем равнялись 0.2 и 0.25 дБ/км на длинах волн 1533 и 1649 нм соответственно. Коэффициент усиления слабого сигнала на длине волны 1649 нм составил 2.2 дБ*км-1Вт -1. Измерение коэффициента усиления проводилось с помощью полупроводникового лазера, излучающего в данном спектральном диапазоне. На рис.4.8 показана мощностная характеристика ВКР-лазера на длине волны 1649 нм.

Рисунок 4.8 - Зависимость выходной мощности составного ВКР-лазера от мощности иттербиевого лазера на длине волны 1089 нм. На вставке - спектр излучения составного лазера.

Несмотря на невысокий коэффициент усиления, коэффициент преобразования излучения на длине волны 1533 нм в излучение на длине волны 1649нмсоставил63%,дифференциальнаяэффективностьпреобразования излучения иттербиевого волоконного лазера ( л = 1089 нм) - 32 %, ширина линии излучения ВКР-лазера - 0.35 нм (рис.4.8).

Отметим, что использование составной конфигурации позволяет реализовать источники, перекрывающие спектральный диапазон 1.6-1.75 мкм. При этом ожидается получение примерно такой же выходной мощности, поскольку необходимая длина волны излучения иттербиевого лазера в этом случае попадает в диапазон 1.07 -1.12 мкм, где его эффективность изменяется незначительно.

Для получения лазерного излучения в области длин волн вблизи 2 мкм и длиннее необходимо использовать волоконные световоды на основе GeO2. Стекло на основе двуокиси германия имеет минимум оптических потерь вблизи 2 мкм, при этом значение поперечного сечения комбинационного рассеяния превышает соответствующее значение для кварцевого стекла в 10 раз. Кроме того, германатное стекло имеет высокую фоточувствительность, что позволяет записывать брэгговские решетки в световоде без насыщения его водородом.

Реализован четырехкаскадный ВКР-лазер (ВКР-лазер 1) на основе германатного световода, генерирующий излучение на длине волны 2.06 мкм. В качестве источника его накачки применялся двухкаскадный ВКР-лазер на основе фосфоросиликатного волоконного световода с выходной длиной волны 1472 нм, который, в свою очередь, накачивался излучением волоконного Yb-лазера ( л = 1057 нм). Схема ВКР-лазера показана на рис.4.9, а на рис.4.10 приведен спектр его выходного излучения.

Рисунок 4.9 -. Схема четырехкаскадного волоконного ВКР-лазера с длиной волны 2.06 мкм; ОС - выходное зеркало. Около каждой решетки указана резонансная длина волны (в нм).

Рисунок 4.10 - Спектр излучения на выходе четырехкаскадного ВКР-лазера: 1 - излучение накачки иттербиевого лазера (1057 нм); 2,3- излучение с двух каскадов фосфоросиликатного ВКР-лазера 2 (1231 и 1472 нм); 4,5,6 - излучение с первых трех каскадов четырехкаскадного ВКР-лазера 1 (1575, 1695 и 1853 нм); 7 - излучение на максимуме ВКР-усиления (2017 нм), соответствующем частотному сдвигу 440 см -1 от 1853 нм; 8 - излучение с четвертого каскада ВКР-лазера 1 (2062 нм).

ВЫВОДЫ

Из приведенного обзора работ следует, что на основе волоконных световодов, легированных различными редкоземельными примесями, созданы волоконные лазеры с длинами волн излучения в различных спектральных областях. Так, лазеры на основе световодов, легированных ионами Nd3+, излучают в области 0.92 и 1.06 мкм, ионами Yb3+ -в 0.98-1.15 мкм, ионами Ег3+ и Er3+:Yb3+ -в 1.53-1.6 мкм, ионами Тm3+- в 1.85-2 мкм, ионами Но3+ - в 2-2.1 мкм. Для реализации лазеров средней мощности необходимо использовать накачку их в оболочку. При этом световодная структура для излучения накачки может быть образована кварцевым стеклом и полимером, кварцевыми стеклами различного состава, также может использоваться микроструктурированная оболочка.

Применение фотоиндуцированных брэгговских волоконных решеток в качестве отражателей света позволило существенно упростить схему лазера; отметим возможность использования и многомодовых решеток.

ВКР-лазеры на основе волоконных световодов различного состава и брэгговских решеток используются для преобразования излучения волоконных лазеров в излучение с любой длиной волны в спектральной области 1.15-1.65 мкм. При этом эффективность преобразования составляет 30 % - 70 % в зависимости от числа каскадов преобразования. Использование германатного волоконного световода позволяет расширить эту спектральную область до 2 мкм.

Таким образом, рассмотренные конфигурации волоконно-оптических лазеров позволяют получать излучение средней мощности на любой длине волны в спектральном диапазоне 0.9-2 мкм, перекрывая практически весь ближний ИК диапазон.[1].

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Дианов. Курков. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности, НЦВО РАН, г. Москва, www. gpi.ru

2 Волоконные лазеры и волоконная оптика, Internet.

3 Optical fiber. Fundamentals, Internet.

4 Fundamentals of Fiber Lasers and Amplifiers, Rьdiger Paschotta, RP Photonics Consulting GmbH, Zьrich, Switzerland. Winter College on Fibre Optics, Fibre Lasers and Sensors, Trieste, February 2007. www.rp-photonics.com.

5 Е.М.Дианов,А.С.Курков, Волоконная оптика, НЦВО РАН, г. Москва, www. gpi.ru

6 Физическая энциклопедия, т. 5, гл. ред. А.М.Прохоров. - М.:Российская энциклопедия, 1998.

7 High Power Fibre Lasers and Amplifiers, Andy Clarkson, Optoelectronics Research Centre University of Southampton, United Kingdom. Winter College on Fibre Optics, Fibre Lasers and Sensors, Trieste, February 2007. www.rp-photonics.com.

8 В.А. Малышев, Основы квантовой электроники и лазерной техники. - М.:Высш. шк., 2005. - 543с.:ил.

Размещено на Allbest.ru