Введение к работе
Актуальность томы. Исследование процессоз взаимодействия оптического излучения с веществом является одной из важнейших задач современной физики твердого тела и квантовой электроники. Значительный научный и практический интерес вызывает изучение процессов взаимодействия света, распространяющегося по волоконному световоду, с материалом, образующим световод. Использование волоконных световодов позволяет получать высокие интенсивности оптического излучения (до Ю9 Вт/см2 и более) при сравнительно малых мощностях излучения. Кроме того, обеспечиваются большие длины взаимодействия- света с веществом - до нескольких километров. Широкое использование волоконных оветоводов в линиях связи увеличивает ценность фундаментальных исследований, проводимых в данной области.
Успехи последних лет в технологии изготовления волоконных световодов позволили создать одномодовые световоды с сердцевиной, легированной ионами редкоземельных элементов, обладающие низкими потерями (0.1 - I дБ/км) при высокой квантовой эффективности активатора [I]. Это стимулировало интенсивные исследования различных аспектов взаимодействия света со стеклом, легированным ионами редкоземельных элементов, образующим световод.
Существенное значение имеют исследования активированных' кварцевых волоконных световодов, поскольку они совместимы с кварцевыми волоконными световодами, используемыми в волоконно-оптических линиях связи. В частности, большой интерес представляют легированные ионами Ег3+ кварцевые волокна, которые имеют линию усиления в диапазоне 1.5 мкм, что совпадает с окном прозрачности кварцевых волоконных световодов.
К числу задач, имеющих важное практическое и научное значение, относятся следующие.
Исследование влияния профиля показателя преломления волоконного световода на усиление и генерацию света, поскольку данные процессы существенно зависят от волноводных параметров световода. В частности, интересные результаты могут быть получены при использовании волоконных световодов с двухступенчатым профилем по-
казателя преломления. В этом случае можно получить существенно отличающиеся интенсивности излучения накачки и сигнала, а также значительно.отличающийся модовый состав накачки и сигнала. Например, может Сыть обеспечен одномодовый режим распространения для сигнала и существенно многомодовый для излучения накачки, что позволяет осуществлять накачку активированных волокон мощными многомодовыми лазерными диодами. Последнее важно при создании мощных волоконных лазеров и усилителей.
Большая икрина линии усиления легированных ионами Ег кварцевых волоконных световодов (около 40 нм) делает их очень подходящими для усиления и генерации оптических импульсов пикосекунд-ного и субпикосекундного диапазонов. Генерация последовательности коротких импульсов может Сыть получена в лазере с пассивной синхронизацией мод. Перспективным направлением исследований является использование нелинейных оптических явлений в- волокне, таких как эффект Керра и самовращение эллипса поляризации оптического излучения, для осуществления пассивной синхронизации мед в волоконном лазере. Таким образом, задача исследования нелинейных оптических явлений в кварцевых волоконных световодах, легированных ионами редкоземельных элементов, и их примеиеітчя для осуществления пассивной синхронизации мод в волоконном лазере представляет большой научный и практический интерес.
Оптические усилители на основе активированных волокон используются в волоконных линиях связи, локальных сетях и др. в качестве линейных усилителей. К числу параметров волоконных усиг лителей, определяющих возможные области их применения, относится максимальная выходная мощность. Она ограничена процессом насыщения усиления, который имеет место при повышении мощности сигнала на виходе усилителя. Увеличение максимальной'выходной мощности позволяет решить ряд прикладных задач и расширяет сферу применения 'ьолоконных усилителей. Это обусловливает необходимость де- талі-ного ^следования эффекта насыщения усиления волоконных усилителей. Полученные результаты также полезны для анализа работы р')зличных волоконных лазеров.
Ц?ль работы. Основной целью даннойработы было исследование -процессов усилэкия и генерации света в кварцевых волоконных
световодах, легированных ионами Ег и Nd . В том числе: исследование возможности использования эффекта нелинейного вращения эллипса поляризации в активированном световоде для синхронизации мод волоконного лазера; исследование процессов усиления и генерации света в кварцевом волоконном световоде, легированном ионами Nd3+, с двухступенчатым профилем показателя преломления; исследование процессов насыщения усиления света в кварцевых волоконных световодах, легированных ионами Ег3+ и Nd3*. Основные положения, выносимые.на зашиту.
1. В работе предложена модель волоконного лазера с пассивной
синхронизацией мод, основанная на эффекте самозращения эллипса
поляризации оптического излучения в кварцевомволоконном свето
воде, легированном ионами Ег3+.
Эффект самовращения эллипса поляризации оптического излучения в кварцевом ролоконном световоде, легированна ионами Ег3+, позволяет реализовать режим пассивной синхронизации мод в линейном волоконном лазере. '"Такой лазер обеспечивает генерацию последовательности шпульсов с длительностями пикосекундного диапа зона.
-
Волоконный световод с двухступенчатым профилем-показателя преломления, легированный ионами Nd3+, может быть использован для усиления оптического излучения, при этом сохраняется одномодовая структура усиливаемого излучения.
-
Насыщение усиления в волоконних световодах, легированных ионами редкоземельных элементов, в случае'умеренных величин усиления (до 2Q - 30 дБ) определяется в основном двумя следующими факторами:1 Соотношением скорости опустошения верхнего лазерного уровня вследствие спонтанных переходов и скорости его опустошения вследствие переходов, индуцированных излучением сигнала - последняя должна быть меньше'; второй существенный фактор - изменение величины поглощаемой в толокне мощности излучения накачки, которое обусловлено увеличением мощности сигнала.
, В кварцевых волоконных световодах, легированных ионами Nd3*, в зависимости от длины волокна и мощности излучеігая накачки может преобладать как первый, так и второй механизм Если и волсию поглощаемся вся накачка - преобладает первый механизм. В этом
случае увеличение мощности сигнала, насыщающей усиление, может бить достигнуто путем уменьшения коэффициента перекрытия между излучением сигнала и инверсией населенности, например, при размещении активатора в кольцевой коаксиальной области.
4. В кварцевом волоконном световоде, легированном ионами Ег3* как щи: накачке излучением с длиной волны 980 нм, так и при длине волны накачки 1.48 мкм, основным механизмом, определяющим мощность сигнала, насыщающую усиление, является изменение мощности излучения накачки, поглощаемой активированным волокном, обусловленное увеличением мощности сигнала.
Если накачка волоконного световода осуществляется на длине волны 980 нм, уменьшение коэффициента перекрытия между излучением сигнала и инверсией населенности приводит к падению мощности сигнала, насыщающей усиление. При накачке волокна излучением с длиной волны 1.48 мкм профиль распределения активатора по поперечному сечению волокна слабо влияет йа величину допустимой мощности сигнала.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
1. Впервые, одновременно и независимо от зарубежных авторов
предложена модель волоконного лазера с пассивной синхронизацией
мод, основаннря на эффекте самовращешя, эллипса поляризации опти
ческого излучения в кварцевом волоконном световоде, легированном
ионами Er .
Впервые предложена новая схема легированного ионами Ег волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод на основе эффекта самовращения эллипса поляризации оптического излучения." В отличив от известных схем подобных волоконных лазеров, предложенная в работе схема имеет линейную конфигурацию, что делает конструкцию лазера очень простой. Получен режим пассивной синхронизации мод в легированном ионами Ег волоконном лазере с использованием эффекта самовращения эллипса поляризации оптического излучения. Проведено детальное экспериментальное исследование различных режимов работы такого волоконного лазера.
2. Впервые разработана простая аналитическая модель усиления
света в волоконных световодах, легированных ионами редкоземельных
элементов, позволяющая учитывать произвольный характер распреде-
ления активатора по поперечному сечению волокна и справедливая при любой мощности усиливаемого излучения. С помощью этой модели вперЕые проведено детальное теоретическое исследозание процесса насыщения усиления в волоконных световодах, легированных ионами редкоземельных элементов. Проанализированы физические причины ограничения максимальной внхсдной мощности волоконно-оптического усилителя, предложены способы ее повышения.
3. Проведено детзльное теоретическое и экспериментальное исследование усиления и генерации света в волоконном световоде с двухступенчатым профилем показателя преломления, легированном ионами Nd+. Впервые такой волоконный световод использован в волоконно-оптическом усилителе.
Практическая ценность.
1. Показано, что эффект самовращения эллипса поляризации
оптического излучения в кварцевом волоконном светсгоде, легиро
ванном ионами Ег , может Сыть использован для синхронизации мод
в волоконном лазере.
Предложена линейная схема волоконного лазера, легированного ионами Ег , с пассивной синхронизацией мод на основе эффекта самовращения/эллипса поляризации оптического излучения. Изготовлен макет такого лазера, проведено его экспериментальное исследование.
-
Разработана простая, удобная для анализа аналитическая модель усиления света в волоконных световодах, легированных ионами редкоземельных элементов, которая позволяет учитывать произвольный характер распределения активатора по попере1, юму сечению волокна и справедлива при любой мощности сигнала.
-
Проанализированы физические причины ограничения мак -симальной выходной мощности волоконно-оптического усилителя, предложены способы ее повышения.
-
Показано .что волоконный световод с двухступенчатым профилем показателя преломления, легированный ионами m
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конца автореферата.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доклады
вались и обсуждались на: Международной конференции по волоконной оптике isfoc'31 (Ленинград, 1991 г.). isfoc'92 (Ст.-Петербург, 1992 г.); II Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь, 1991 г.); Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике КиНО'91 (Ленинград, 1991 г.); III Международной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь, 1992 г.); Международной конференции по оптическим вычислениям (Минск, 1992 г.); Международной конференции "Оптика лазеров" (Ст.-Петербург, 1993 г.); а также на ряде научных семинаров в ФТИ' им. А.Ф. Иоффе' РАН и ГОИ им. СИ. Вавилова.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения; содержит 43 рисунка и фотографии, библиографию из 109 наименований. Полный объем диссертации - 145 страниц.
