Волоконные лазеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

МГТУ МИРЭА

Факультет: МГТУ МИРЭА в г. Москве

Направление подготовки:210100 Электроника и наноэлектроника

Форма обучения: заочная

Учебный год: 2016/2017

Реферат

Тема: «Волоконные лазеры»

Преподаватель: Танетова Н.П.

Исполнитель: студент 4 курса

Нефедов О.А.

Шифр: ЭЭБЗ-1-13

Москва 2017

Содержание

Введение

1. Принципы работы

1.1 Общая схема

1.2 Активное волокно

1.3 Накачка

1.4 Резонаторы типа Фабри -- Перо

1.4.1 Резонаторы с использованием диэлектрических зеркал

1.4.2 Резонатор с использованием волоконных брэгговских решёток

2. Технические особенности

2.1 Однополязизационные лазеры

2.2 Up-конверсия

2.3 ВКР-лазеры

2.4 Волоконные лазеры на фотонных кристаллах

3. Применение

Литература

Введение

Волоконный лазер -- лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого построены на базе оптического волокна. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.

Впервые передачу лазерного излучения по оптическому волокну продемонстрировали Элиес Снитцер и Уилл Хикс в 1961 году. Основные проблемы их устройства состояли в высоком затухании излучения при прохождении волокна. Однако через несколько лет Снитцером был создан первый лазер, в качестве рабочей среды которого использовалось оптоволокно, легированное неодимом. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокхам создали оптическое волокно, затухание в котором составляло около 20 дБ/км, в то время как иные существующие на то время волокна характеризовались затуханием более 1000 дБ/км. Информационная емкость волокна Као соответствовала двумстам телеканалам. Внутренний диаметр составлял около 4 микрон, а диаметр всего волновода около 400 микрон. Прогресс в производстве оптических волокон привлек широкое внимание к ним, как средству передачи сигналов на большие расстояния. Стремительное развитие волоконных лазеров началось с конца 1980-х. Основные направления исследований были связаны с экспериментированием в использовании различных примесей в оптических волокнах для достижения заданных параметров генерируемого излучения. В частности, особый интерес представляла генерация сверхкоротких импульсов в инфракрасной области спектра. Промышленные образцы эрбиевых лазеров стали широко использоваться с 1993 года в сенсорике и сфере связи.

1. Принципы работы

1.1 Общая схема

Типичная схема волоконного лазера и усилителя. М1 и М2 -- брэгговские зеркала, А -- активное волокно, Д -- диод накачки.

Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированнное оптическое волокно -- сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить несколько классов наиболее распространенных: резонаторы типа Фабри -- Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке для получения большей мощности.

1.2 Активное волокно

Высокая прозрачность кварца -- основного материала для оптических волокон -- обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселенностей энергетических уровней (тоесть, более некоторые высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон в для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполянют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространенных типов волокон является эрбиевое, которое используется в лазерных и усилительных системах рабочий диапазон которых лежит в интервале 1530--1565 нм. В усилителях необходимо различать полезный сигнал и сигнал накачки, поэтому накачка производится на более высоких частотах. Последнее является причиной, по которой обычная двухуровневая система накачки в волоконных усилителях не применяется. В следствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного, эффективность генерации или усиления различна для различных длин волн в рабочем диапазоне. брэгговский резонатор фотонный

1.3 Накачка

Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое оптоволокно с двойным покрытием (англ. Double-clad fiber)). Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая -- из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. Эффективное возбуждение ионов редкоземельных элементов достигается подбором диаметров активной серцевины и волновода накачки. По такой технологии можно получить выходную мощность порядка 100 Вт.

Рис. 3. Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием

Рис. 4. Два различных типа оптических волокон для волоконных лазеров (не в масштабе). Слева: обычная схема с одним волноводом накачки, оптоволокно с двойным покрытием (англ. Double-clad fiber). Справа: схема технологии GTWave с двумя волноводами накачки (для примера). 1 - Серцевина, легированная редкоземельными ионами. 2 - Волновод накачки. 3 - Общая оболочка. 4 - Защитная оболочка.

Большие мощности накачки достигаются с помощью технологии GTWave. В одну защитную оболочку встраивается несколько серцевин волноводов, одна из которых является активной средой, а другие -- волноводами накачки. Накачка осуществляется благодаря эванесцентному полю, проникающему в активную среду через их стенки. Особенностью технологии является возможность ввода излучения накачки через оба торца каждого из волноводов накачки и отсутствие необходимости в WDM-ответвителях.

1.4 Резонаторы типа Фабри -- Перо

Резонаторы, основанные на интерферометре Фабри -- Перо, являются одними из самых распространённых. Различия между ними заключаются в способе создания зеркал резонатора.

1.4.1 Резонаторы с использованием диэлектрических зеркал

В первых волоконных лазерах для создания резонатора Фабри -- Перо применялись диэлектрические зеркала. Благодаря возможности создавать их практически прозрачными на длине волны накачки 0,82 мкм сохраняя при этом высокий коэффициент отражения на длине волны генерации 1,088 мкм (таковы были параметры лазеров, где применялось волокно, легированное ионами Nd³⁺). Вначале волокно размещалось между зеркалами, однако такую конструкцию было сложно юстировать. Частичное решение проблемы состояло в нанесении диэлектрических зеркал непосредственно на торцы волокна, что, однако, повышало риск их повреждения мощным сфокусированным излучением накачки и ужесточало требования к обработке торцов оптоволокна. Проблема защиты зеркал иногда решалась применением WDM-ответвителей.

1.4.2 Резонатор с использованием волоконных брэгговских решёток

Резонатор внутри оптического волокна создается парами внутриволоконных брэгговских решёток -- участков оптического волновода, в которой создается структура с модулированным показателем преломления. Участки с измененным показателем преломления (штрихи) располагаются перпендикулярно оси волновода. Отражение от такой структуры происходит на длине волны

л_B = n_effЛ_B,

где n_eff -- эффективный показатель преломления основной моды, Л_B -- период решётки. Характер отражения (полное или частичное), будет зависеть от её параметров. Ширина спектра отражения при большом количестве штрихов становится пропорциональной коэффициенту связи к, связанным с коэффициентом отражения соотношением

R = tanh²кL,

где L -- длина решётки. На практике созданная внутри волокна брэгговская решётка имеет несколько иные параметры, так как само её создание меняет эффективный показатель преломления в месте нахождения решётки, и таким образом, саму её резонансную длину волны. Для внутриволоконных решёток являются опасными высокие температуры. Хотя в целом, температура разрушения решётки существенно зависит от метода её создания и материала волокна, чаще всего критические температуры лежат в диапазоне 300--600 °C. Селективность по частоте брэгговских решёток позволяет получить лазер, работающий на одной продольной моде с узкой частотной полосой генерации.

В волоконных ВКР-лазерах иногда создают более одной пары брэгговских решёток на разные длины волн для достижения большего порядка рассеяния (каждый следующий порядок рассеяния изменяет длину волны фотонов, что позволяет достичь требуемую длину волны).

2. Технические особенности

2.1 Однополяризационные лазеры

Даже в одномодовом волокне существует связь между модами с близкими постоянными распространения и ортогональными поляризациями. Для волоконно-оптических линий связи это является фактором, ограничивающим пропускную способность и длину, так как предпочтительным является сохранение поляризации при распространении импульса по волокну.

Поляризация излучения волоконного лазера в общем случае зависит от многих факторов, в частности от мощности накачки, и не является линейной. Часто используемым методом подавления одной из ортогональных поляризаций является применение внутриволоконного поляризатора. В его роли выступает металлическая нить определённого сечения (например, в форме латинской буквы D), встроенная в волокно и протянутая вдоль его сердцевины. Оно вызывает омические потери для поляризации, ортогональной к поверхности нити. Для создания другого типа волоконного поляризатора, основанного на том же физическом принципе, оптоволокно обрабатывается таким образом, что на расстоянии порядка длины волны от сердцевины образуется полированная поверхность, на которую напыляется слой металла. Экспериментальные исследования описанных конструкций показывали разницу амплитуд поляризаций до 25 дБ в инфракрасном диапазоне при выходной мощности порядка нескольких милливатт и КПД около 25 %.

Принципиально иной метод заключается в использовании оптических волокон с сильным двулучепреломлением мод. Это волокна, в которых искусственно создана асимметрия канала распространения света, например, путём создания эллиптической сердцевины, или боковых выемок, вызывающих механические напряжения в волокне в определённом направлении. В них моды с различной поляризацией имеют различные постоянные распространения. Генерации необходимой поляризации добиваются использованием внутриволоконных брэгговских решёток, в которых коэффициент отражения зависит от поляризации для резонатора Фабри -- Перо.

2.2 Up-конверсия

Up-конверсионными (ап-конверсионными) называют лазеры, в которых длина волны излучения меньше, чем длина волны накачки (в большинстве обычных лазеров, накачиваемых светом, реализуется противоположная ситуация). Up-конверсионная схема накачки заключается в поглощении активной средой нескольких фотонов, вследствие чего энергия перехода c конечного энергетического уровня превышает энергию каждого из поглощённых фотонов. В волоконных лазерах её применение часто требует использования флюоридных волокон (ZBLAN). Up-конверсия используется в тулий-, эрбий- и празеодим/иттербий-легированых лазерах. Необходимо отметить, что каждый энергетический уровень иона, используемого для генерации, является уширенным вследствие взаимодействия с матрицей. Ап-конверсия представляет значительный интерес, так как позволяет создавать лазеры, работающие в синей области спектра при использовании накачки в красном или инфракрасном диапазоне.

Типичная схема накачки тулиевого активного волокна (активными центрами являются ионы Tm³⁺) при трёхфотонном поглощении фотонов 1,06 мкм заключается в переходах , , . Промежуточные переходы и являются релаксационными. Результатом является генерация мощного излучения на длине волны 475 нм на переходе . Двухфотонное поглощение квантов с длиной волны 660 нм приводит к переходам и с последующим излучением кванта света 460 нм.

Празеодим представляет значительный интерес в качестве рабочего иона, так как up-конверсионная схема для волокон, легированных им, позволяет получать генерацию красного, оранжевого, зелёного и синего цветов. Часто применяется дополнительное легирование иттербием, благодаря очень широкой полосе поглощения, лежащей в диапазоне работы мощных GaAs диодов. Ионы Yt³⁺ служат в качестве сенсибилизаторов (частиц, передающих энергию между различными уровнями ионов, служащих для генерации).

2.3 ВКР-лазеры

Волоконные лазеры могут быть созданы на основе активного оптического волокна -- кварцевого волокна, легированного редкоземельными элементами (иттербием, эрбием, неодимом, тулием, гольмием и другими), или пассивного волокна с использованием эффекта вынужденного рамановского рассеяния. В последнем случае оптический резонатор образует световод в сочетании с брэгговскими решётками показателя преломления, «записанными» в волокне. Такие лазеры называются волоконными рамановскими лазерами.

Волокно лазера может быть очень длинным для получения высоких выходных мощностей. В современных волоконных лазерах на киловаттные мощности применяется соединение множества отдельных световодов в один путём сварки световодов «елочкой». Большая распределенная площадь поверхности световода позволяет эффективно охлаждать активный элемент такого лазера.

Излучение лазера распространяется внутри оптического волокна и поэтому резонатор волоконного лазера не требует юстировки. Именно это обстоятельство обусловило бурное развитие лазеров этого типа, однако относительная простота резонаторов этих лазеров зачастую не позволяет реализовать такие параметры излучения или режимы их изменения, которые достигаются в лазерах на дискретных (объёмных) оптических элементах.

В волоконном лазере можно получать как одночастотную генерацию, так и генерацию ультракоротких (фемтосекундных, пикосекундных) световых импульсов.

2.4 Волоконные лазеры на фотонных кристаллах

Повышение выходной мощности излучения и управление числовой апертурой может достигаться использованием оптоволокна на фотонных кристаллах.

3. Применение

Станок для резки металла Cincinnati CL-920 (2 кВт, иттербиевый волоконный лазер). К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров является опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.

Демонстрационная лазерная установка проектной компании РОСНАНО НТО"ИРЭ-Полюс" на выставке RUSNANOTECH 2010. В сравнении с лазерами других конструкций волоконные лазеры обладают такими важными достоинствами для практического применения, как: простое увеличение мощности, эффективное охлаждение, большая надёжность, низкие расходы на обслуживание.

Из минусов можно назвать относительно большие размеры и трудоемкость изготовления.

Основное применение волоконных лазеров -- резка «тяжелых» материалов (металлов, пластмасс, дерева).

В течение 1993--1994 годов небольшой коллектив сотрудников российской компании НТО «ИРЭ-Полюс» разработал первые прототипы волоконных усилителей света с диодной накачкой, по мощности превышающие зарубежные аналоги. В 1995 году руководитель этой компании В. Гапонцев переехал на работу в ФРГ и основал фирму IPG Laser GmbH.^[24] После вывоза из бывшего СССР в 90-х годах простой технологии суммирования выходной мощности волоконных лазеров этот тип лазеров практически вытеснил дорогие газовые лазеры из станков лазерного раскроя материалов и сделал их массово доступными. Надо заметить что газовые лазеры все ещё сохранили свои доминирующие позиции в станках лазерной гравировки материалов (на мощность до сотен ватт).

Из других применений можно назвать:

1. Резка полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы.

2. В медицине, в качестве лазерных скальпелей-коагуляторов (для рассечения и удаления мягких тканей, остановки кровотечений в общей, косметической, гинекологической, ЛОР, эндо-, лапароскопической и других областях хирургии).

3. Для оптоволоконной передачи данных.

Данный способ передачи данных является основным для высокоскоростной передачи данных на большие расстояния. Оптоволоконные кабели используются как для проведения интернета и кабельного телевидения между домов в городах (по воздуху или под землёй), так и для межконтинентального соединения (бронированный кабель для подводной укладки с усилителями).

Литература

1. Дианов Е. М., Прохоров А. М. Лазеры и волоконная оптика // Успехи физических наук. -- 1986. -- В. 2. -- Т. 148. -- С. 289--311. -- DOI:10.3367/UFNr.0148.198602c.0289 - dx.doi.org/10.3367/UFNr.0148.198602c.0289

2. Курков А. С., Дианов Е. М. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности - www.quantum-electron.ru/php/paper_rus.phtml?journal_id=qe&paper_id=2739 // Квантовая электроника. -- 2004. -- Т. 34. -- № 2. -- С. 881--900. -- DOI:10.1070/QE2004v034n10ABEH002739 - dx.doi.org/10.1070/QE2004v034n10ABEH002739

3. Вудс С., Дака М., Флин Г. Волоконные лазеры средней мощности и их применение - www.photonics.su/issue/2008/4/2 // Фотоника. -- 2008. -- № 4. -- С. 6--10.

4. Григорук В. І., Коротков П. А., Фелінський Г. С. Нелінійні та лазерні процеси в оптичних волокнах. -- К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2008. -- 576 с. -- ISBN 978-966-439-120-4

5. Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи: Учебное пособие. -- 2-е изд., стер. -- СПб.: «Лань», 2010. -- 272 с. -- ISBN 978-5-8114-1028-6

Размещено на Allbest.ru