Содержание к диссертации
Введение
I. Волоконный ВКР-лазер 20
1 ВКР в оптоволокне 20
2 Устройство волоконного ВКР-лазера 25
3 Экспериментальная установка 28
II. Выходные характеристики каскадного волоконного ВКР-лазера 34
4 Мощность генерации 34
5 Форма спектра 45
III Насыщение усиления в волоконном ВКР-лазере 57
6 Метод измерений 57
7 Результаты измерений и сравнение с теорией 64
8 Анализ альтернативных эффектов 70
IV Роль нелинейных эффектов в формировании спектра генерации 79
9 Влияние ВРМБ 79
10 Структура продольных мод и шумы ВКР-лазера 87
11 Роль четырехволнового смешения 98
Выводы 107
Заключение 110
Литература 113
- Устройство волоконного ВКР-лазера
- Форма спектра
- Результаты измерений и сравнение с теорией
- Структура продольных мод и шумы ВКР-лазера
Введение к работе
Актуальность темы. Один из основных векторов развития волоконной оптики сегодня — создание и дальнейшее совершенствование волоконных лазеров Богатые технические возможности волоконных лазеров, а также их высокие эксплуатационные характеристики не оставляют никаких сомнений в том, что в скором времени они заменят в большинстве применений своих предшественников в ближней инфракрасной области спектра.
К наиболее перспективным волоконным источникам лазерного излучения можно с уверенностью отнести волоконный ВКР-лазер [1,2], в котором излучение накачки последовательно преобразуется в излучение стоксовых компонент за счет процесса вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Одной из характерных особенностей ВКР-лазера является его способность излучать практически на любой длине волны в области 1,1-1,7мкм. Так, одноступенчатые ВКР-лазеры на основе германосиликатного волокна излучают до 10-20 Вт в области 1,1 мкм [3,4], трехступенчатые используются для генерации излучения в области 1,26 мкм [1], пятиступенчатые — в области 1,48 мкм [5]. Использование световодов с высокой концентрацией двуокиси германия позволяет отодвинуть верхнюю границу диапазона достижимых для генерации с помощью ВКР-лазера длин волн до 2,2 мкм [6].
Для получения генерации на заданной длине волны с помощью меньшего числа ступеней используются волокна с большим стоксовом сдвигом, такие как фосфосиликатное волокно. В его спектре ВКР-усиления кроме линии на ~ 420-440 см-1, присутствующей и в гер-маносиликатном волокне, имеется также интенсивная линия на ~ 1330 см-1 ~ 40ТГц [7]. Генерация на длинах волн 1,24 мкм и 1,48 мкм в ВКР-лазере на основе фосфосиликатного волокна может быть получена лишь с помощью одно- и двухступенчатого преобразования излучения накачки с длиной волны 1,06 мкм [8]. Таким образом, разработка фос-фосиликатных ВКР-лазеров и изучение их выходных характеристик представляет особый интерес.
Важным преимуществом волоконных ВКР-лазеров является их способность генерировать на нескольких длинах волн одновременно: до 58 линий [9]. Многоволновые ВКР-лазеры активно применяют в качестве источников сигнала в телекоммуникационных системах передачи данных со спектральным уплотнением каналов (WDM-системах). С другой стороны, многоволновые ВКР-лазеры можно также использовать в качестве источников накачки волоконных усилителей, что позволяет рас-
С.-Петербург
ОЭ 200б»кт З^У
ширить полосу усиления, минимизировать неравномерность усиления и уменьшить относительный вклад шумов [10]. Таким образом, важной задачей является изучение спектральных характеристик волоконных ВКР-лазеров с целью выяснения механизмов формирования спектра генерации. Одним из основных вопросов здесь является вопрос о характере насыщения ВКР-усиления в волокне, в частности в фосфо-силикатном волокне.
В последние годы акцент проводимых исследований сместился в сторону расширения возможностей BKP-лазєров за счет изменения и управления их спектральными характеристиками. В частности были предприняты попытки создать перестраиваемые волоконные ВКР-лазеры [11]. Очевидно, что задача расширения диапазона перестройки длины волны генерации ВКР-лазера также тесно связана с задачей исследования механизмов формирования спектра генерации.
Одним из наиболее актуальных практических вопросов на сегодняшний день является создание волоконных ВКР-лазеров, излучающих в видимом диапазоне длин волн (550-770 нм). Лазерные источники излучения в данном диапазоне мощностью несколько сотен милливатт крайне важны, в частности, для медицинских применений. Приоритетным направлением в разработке подобных волоконных источников является удвоение частоты волоконных ВКР-лазеров. Внутрирезонатор-ное удвоение частоты [12] оказывается крайне неэффективным ввиду большой спектральной ширины излучения ВКР-лазера. А устройства на основе внерезонаторной схемы с использованием периодически ориентированных кристаллов [13] имеют слишком высокую цену и малый срок службы. При этом из-за большой спектральной ширины излучение основной гармоники также не полностью преобразуется в излучение на удвоенной частоте. Решение задачи эффективного, в том числе с точки зрения дальнейших применений, удвоения частоты волоконных ВКР-лазеров требует разработки методов сужения спектра генерации ВКР-лазера. Для этого необходимо провести исследование механизмов уширения спектра генерации, в том числе выяснить роль нелинейных эффектов, проявлению которых способствуют высокие интенсивности лазерного излучения в сердцевине волокна и большие длины взаимодействия.
Цели работы, исходя из вышесказанного, были сформулированы следующим образом:
1. Изучение выходных характеристик волоконного ВКР-лазера на основе фосфосиликатного волокна.
-
Исследование механизмов формирования и уширения спектра генерации волоконного ВКР-лазера.
-
Исследование влияния нелинейных эффектов на спектральные характеристики волоконного ВКР-лазера.
Новизна работы: Полученные в диссертации экспериментальные результаты позволили построить достаточно полную картину формирования и уширения спектра генерации волоконных ВКР-лазеров. При этом впервые были экспериментально исследованы новые эффекты последовательного насыщения мощностей волны накачки и стоксо-вых компонент, переноса флуктуации интенсивности из волны накачки в стоксовые компоненты в ВКР-лазере, объяснена форма выходного спектра ВКР-лазера, а также впервые измерены характер насыщения ВКР-усиления и параметры эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в фосфосиликатном волокне. Наконец, была выяснена роль четырехволнового смешения (ЧВС) в формировании спектра генерации.
Практическая значимость' Практическая ценность полученных результатов определяется в первую очередь тем, что в диссертации описаны основные механизмы уширения спектра генерации волоконных ВКР-лазеров, анализ которых позволяет разработать методы сужения и управления спектром генерации, что является важным для разработки многоволновых, перестраиваемых ВКР-лазеров и лазеров с удвоением частоты. Кроме того, так как шумы интенсивности ВКР-лазера являются одним из ключевых параметров при применении ВКР-лазеров в качестве источников накачки волоконных усилителей, то особую значимость имеет идентификация причины возникновения шумов и указание на то, при каких параметрах могут быть достигнуты предельные шумы интенсивности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Мощности волны накачки и стоксовых компонент в каскадном волоконном ВКР-лазере насыщаются последовательно.
-
Форма спектра выходного излучения ВКР-лазера определяется спектральными характеристиками волоконных брэгговских решеток (ВБР), образующих резонатор лазера.
-
ВКР-усиление в фосфосиликатном волоконном ВКР-лазере насыщается однородно за счет истощения накачки.
-
Флуктуации интенсивности в волоконном ВКР-лазере полностью переносятся из волны накачки в стоксовы компоненты.
-
Эффект ВРМБ не влияет на спектральные характеристики фос-фосиликатного ВКР-лазера.
-
Четырехволновое смешение является основной причиной ушире-ния спектра генерации в волоконном ВКР-лазере.
Апробация работы. Результаты были доложены на 11 международных конференциях' 3 и 4 Летняя школа по фоточувствительности волноводов и стекол, POWAG'02 и POWAG'04 (Санкт-Петербург, 2002, Ват, Англия, 2004); Международная конференция по квантовой электронике совместно с Международной конференцией по применению лазеров и лазерным технологиям, IQEC/LAT'02 (Москва, 2002), 7 Международный симпозиум по лазерной метрологии и ее применениях в науке, промышленности и повседневной жизни, LM'02 (Новосибирск, 2002), 13 Международная конференция по оптике лазеров, LO'03 (Санкт-Петербург, 2003); Международная конференция но волоконно-оптическим системам связи, OFC04 и OFC05 (Лос-Анджелес, США, 2004; Анахайм, США, 2005); Международный симпозиум по физике лазеров, LPHYS'04 (Триест, Италия, 2004); Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике совместно с Международной конференцией по применению лазеров и лазерным технологиям, ICONO/LAT'05 (Санкт-Петербург, 2005); 3 Международный оптический форум "Оптика 2005" и научно-практическая конференция "Оптика XXI" (Москва, 2005); 10 ежегодный симпозиум Электро-оптического и лазерного общества стран Бенилюкс, LEOS-Benelux'05 (Монс, Бельгия, 2005). Результаты также докладывались на семинарах Института автоматики и электрометрии СО РАН, Астоновского университета (Бирмингем, Великобритания), Института оптики, точной механики и физики (Чанчунь, Китай).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, в котором сформулированы защищаемые положения, четырех глав с изложением материала диссертации и заключения, в котором перечислены основные результаты. Общий объем диссертации составляет 134 страницы и включает 26 рисунков и список литературы из 152 наименований
Устройство волоконного ВКР-лазера
Значение коэффициента ВКР-усиления в стеклах сравнительно мало, однако использование длинных волокон (порядка нескольких сот метров) позволяет снизить порог ВКР до сотен милливатт непрерывного излучения накачки. Использование мощных лазеров накачки позволяет получить эффективную генерацию первой и последующих сток-совых компонент в одномодовом волокне даже в однопроходной схеме. Так, в работе [100] было получено до 4 Вт выходной мощности в первой стоксовой компоненте (1168 нм) с дифференциальной эффективностью 72% и более 2 Вт выходной мощности на длине волны третьей стоксовой компоненты (1307 нм) с эффективностью до 42%.
Более перспективной схемой является схема с использованием резонатора, так как в этом случае длины волн стоксовых компонент определяются не положением максимума ВКР-усиления, а спектральными характеристиками зеркал, образующих резонатор. Наиболее распространенной схемой волоконного ВКР-лазера является линейная схема, в которой зеркалами являются ВБР, см., например, [36]. Коэффициенты отражения брэгговских решеток подбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальную выходную мощность на заданной длине волны. В схемах с ВБР была достигнута эффективность преобразования излучения накачки в стоксову компоненту до 84% за одну ступень преобразования [11]. Для повышения эффективности преобразования широко используют двухпроходную схему накачки, в которой на выходе из ВКР-лазера помещается дополнительная ВБР, возвращающая непоглощенное излучение накачки в резонатор [101,102].
Спектральные характеристики выходного излучения волоконного ВКР-лазера определяются во многом спектральными характеристиками использованных брэгговских решеток. Так, использование высокоот-ражающей ВБР в качестве выходной решетки приводит к расщеплению выходного спектра излучения (этот вопрос будет подробно рассмотрен в 5). При использовании многомодовых брэгговских решеток [80,103], имеющих несколько близкоотстоящих спектральных пиков отражения, наблюдается многоволновая генерация.
Некоторое количество работ посвящено модификациям традиционной линейной конфигурации ВКР-лазера с использованием ВБР. Например, в [104,105] предлагаются схемы с двойными резонаторами, а в [10G] вместо ВБР, образующих резонатор, используются волоконные ответвителп с соединенными выходами. Однако особых результатов в таких схемах пока не получено.
Кроме линейных схем волоконных ВКР-лазеров широко эксплуатируются, в особенности для получения многоволновой генерации, кольцевые схемы. Кольцевой полностью волоконный ВКР-лазер впервые был разработан в [107]. Для генерации третьей стоксовой компоненты на длине волны 1240 нм германосиликатное волокно длиной 7,5 км было помещено в кольцевой резонатор, сформированный с помощью селективных волоконных разветвителей (в англоязычной литературе WDM). Стоит заметить, что так как ширина контура ВКР-усилеиия в германосиликатном волокне велика, то без использования специальных спектралыю-селектирующих элементов спектр генерации в кольцевых лазерах достаточно широк —его ширина может достигать 20 нм [108], тогда как при использовании ВБР ширина спектра выходного излучения обычно не превышает 1-2 нм.
Кольцевых схем также существует несколько вариантов. Кроме описанной стандартной схемы в литературе предлагается использовать вложенные кольцевые резонаторы для многоступенчатого преобразования излучения [109], а в [16] докладывается о разработке кольцевой схемы, имеющей форму восьмерки. Имеются работы и но гибридным линейно-кольцевыми резонаторам [25].
Во всех вышеприведенных работах для генерации стоксовых компонент используется одномодовое волокно. Однако одномодовые ВКР-лазеры имеют ограничения по эффективности заведения многомодовой накачки и по генерируемой мощности. В многомодовых волокнах за счет лучшего перекрытия накачки и стоксовой компоненты возможно достижение большей эффективности, а за счет большей площади сечения основной моды достижима большая суммарная мощность. В то же время интерес, конечно, представляют источники, выходное излучение которых имеет всего одну поперечную моду. В работе [ПО] экспериментально показано, что для процесса ВКР возможна генерация одномодового излучения в многомодовом волокне в отличие от иттер-биевых и эрбиевых лазеров. Также докладывается о генерации стоксовой компоненты, имеющей одну поперечную моду, в волокне с двойной оболочкой [111].
С момента первых демонстраций волоконных ВКР-лазеров были предприняты попытки их теоретического описания [112]. Большинство теоретических рассмотрений основывается на системе уравнений (1), которая в общем случае не решается аналитически. Поэтому исследователи идут по пути упрощения исходной системы уравнений путем различных предположений, делая основной упор на численные методы получения решения. Первоначально рассматривались модели, в которых учитываются только попутные волне накачки стоксовы волны [112,113]. Такого рода модели адекватны для описания однонаправленных кольцевых ВКР-лазеров, но, впрочем, дают удовлетворительные результаты и для линейных схем. Позже стали развиваться модели, учитывающие волны, которые распространяются по резонатору в обоих направлениях [101,114,115]. Следующим приближением стал учет влияния каждой волны на каждую волну, а не только соседних стоксовых компонент друг на друга [116].
Форма спектра
Одной из важных характеристик волоконного ВКР-лазера является форма его выходного спектра. Как было показано в 3, выходные спектры различных стоксовых компонент имеют различную форму: спектр первой стоксовой компоненты расщеплен, тогда как спектр второй стоксовой компоненты имеет форму одиночного пика. Представляется очевидным, что определяющее влияние на форму спектра должны оказывать волоконные брэгговские решетки, образующие резонатор. О влиянии плотной брэгговской решетки на расщепление выходного спектра излучения ВКР-лазера было упомянуто в [41]. Также расщепление наблюдалось в работах [47,54], а в работе [129] приводится ассиметричный расщепленный выходной спектр. В то же время попыток описания регистрируемых эффектов и их классификации в литературе, однако, не предпринималось. Следовательно, задача изучения выходного спектра каскадного ВКР-лазера является актуальной на сегодняшний момент.
Кроме того, как мы видели в предыдущем параграфе, существенным параметром, определяющим значения порогов генерации сток-совых компонент и их выходных мощностей, является эффективный коэффициент пропускания брэгговских решеток. Его значение также должно зависеть от формы генерируемого спектра излучения и от спектральных характеристик ВБР. Естественно ожидать, что при изменении параметров решеток будет изменяться и эффективный коэффициент пропускания, что приведет, в свою очередь к изменению параметров волоконного ВКР-лазера. Ранее об изменении выходной мощности ВКР-лазера при сдвиге спектра отражения одной из решеток относительно спектра другой решетки без объяснения причин наблюдаемого эффекта упоминалось в [25,130]. Влияние параметров ВБР, образующих резонатор, на форму выходного спектра ВКР-лазера и его мощност-ные параметры, следовательно, также подлежит детальному изучению и объяснению.
Для исследования формы спектра ВКР-лазера и выяснения факторов, оказывающих па него влияние, волоконные брэгговские решетки, образующие вложенные резонаторы двухступенчатого ВКР-лазера, были помещены на термоэлектрические элементы Пельтье, что позволило осуществить изменять спектральные характеристики ВБР посредством изменения температуры. А именно, изменение температуры AT = ±25 С приводило к смещению спектра отражения ВБР на величину ДА ±0,25 им [5].
Были получены следующие экспериментальные данные. Спектр выходного излучения первой стоксовой компоненты оказывается расщепленным на два пика, при этом измеренный внутрирезонаторный спектр стоксовой компоненты имеет перасщенленную форму, Рис.11. Более того, изменение температуры одной из решеток плотного резонатора существенным образом сказывается на форме спектра: изначально
симметрично расщепленный спектр, Рис. 106, становится асимметрично расщепленным, Рис. 10а,в. При этом уменьшение температуры входной решетки приводит к искажению спектрального контура аналогичному искажению, вызываемому увеличением температуры выходной решетки. Характерная форма спектра на длине волны As = 1,2бмкм (расщепление и асимметрия при расстройке решеток) наблюдается как при мощностях Ро 1,2 Вт, обеспечивающих генерацию только на длине волны Лі = 1,26 им, так и при более высоких мощностях Ро 1,2 Вт, при которых генерируются обе стоксовы компоненты.
Температурная перестройка ВБР, образующих резонатор для второй стоксовой компоненты, не приводит к заметным изменения формы спектра второй стоксовой компоненты, а ведет только к незначительному его сдвигу. Типичный выходной спектр приведен на Рис. 12. Внутри-резонаториый спектр второй стоксовой компоненты также имеет форму одиночного пика.
Суммарная выходная мощность ВКР-лазера остается практически постоянной при температурной перестройке решеток, тогда как мощность на длине волны 1,52 мкм изменяется на величину 15-20%, Рис. 136,в. Вблизи порога генерации температурной подстройкой решеток можно добиться понижения (повышения) порога или появления (исчезновения) генерации при заданном уровне мощности накачки, Рис. 13а. Изменение выходной мощности второй стоксовой компоненты и ее порога генерации может быть вызвано изменением эффективного коэффициента пропускания при рассогласовании входной и выходной решеток каскада — увеличение (уменьшение) teJf приводит к увеличению (уменьшению) порога Р , что в свою очередь при неизменной дифференциальной эффективности генерации приводит к соответствующему ИЗМеиеНИЮ Р21.
Для объяснения расщепления и асимметрии спектра выходного из-. лучения в плотном резонаторе промежуточного каскада мы проанали зировали систему уравнений (1) с граничными условиями (2,3).
В приближении (5) интегрируем систему (1) в случае, когда мощность накачки недостаточна для генерации второй стоксовой компоненты. Искомая внутрирезопаторная мощность PS(X) является решением трансцендентного уравнения: Даже при незначительном превышении мощности накачки над порогом генерации первой стоксовой компоненты величина {2к доР8+оср)Ь является большой, поэтому tanh[(2&o#o-Pi+ap)L] 1, и внутрирезопаторная мощность выражается следующим образом: При этом, как и для обычного лазера, для стоксовой волны можно ввести насыщенный интегральный коэффициент усиления gs: Тогда формула (18) может быть получена из условия равенства усиления и потерь при полном обходе резонатора при средней мощности накачки вдоль резонатора Рр = Ро/2арЬ. Отметим, что в данном рассмотрении насыщение коэффициента усиления для стоксовой волны с ростом ее мощности Ps обусловлено истощением накачки, Pput PQ.
Предполагая независимость генерации в стоксовой компоненте продольных мод с различными Л, а также зная спектральные профили коэффициентов отражения входной и выходной брэгговских решеток RS(X) и Я 52(А), можно получить спектральную зависимость впутрире-зонаторной -PS(A) и выходной мощности PS0U (A)
Результаты измерений и сравнение с теорией
Вид типичного сигнала, пропорционального выходной мощности пробного поля, приведен на Рис. 18. Амплитуда наблюдаемой модуляции составляла десятки процентов и могла достигать 95% при больших мощностях накачки. При этом амплитуда модуляции зависела также и от мощности стоксовой компоненты. В первый момент после включения иттербиевого лазера накачки, то есть с началом генерации стоксовой компоненты внутри резонатора поглощение пробного поля начинает уменьшаться. Однако, как это видно из Рис. 18 (черная линия), имеется некий переходной процесс с характерным временем 0,1-0,3 мс.
Заметим, что измерения коэффициента поглощения пробного поля были также проведены и при отсутствии генерации стоксовой компо центы Ps = 0, Рис. 18 (оранжевая линия), но при тех же мощностях накачки. Этого можно было достичь, изъяв одну из ВБР, образующих резонатор на стоксову компоненту, что приводило к увеличению порога генерации стоксовой компоненты до величины, превышающей используемые мощности накачки. В этом случае в регистрируемом сигнале не наблюдается дополнительных переходных процессов.
Типичный спектр ВКР-усиления при большой мощности накачки в случае генерации стоксовой волны и в случае ее отсутствия приведен на Рис. 19. Мы провели подобные измерения для различных мощностей накачки; итоговые результаты приведены на Рис. 20.
Неоднородное насыщение должно приводить к выжиганию в спектре усиления спектральных провалов на длине волны \rae/ 929 им, соответствующей частоте антистоксового перехода uf ss = 2шр — ws. С экспериментальной точностью эффектов выжигания спектральных провалов не наблюдается, Рис. 19. Более того, с точностью до нормировочного множителя, спектр ВКР-усиления имеет одну и ту же форму при разных мощностях накачки PQ И стоксовой компоненты Ps, Рис.20. При этом значение ВКР-усиления в максимуме дах нелинейным образом изменяется с увеличением мощности накачки. Следовательно, ВКР-усиление испытывает насыщение, и характер насыщения — однородный, в том числе при больших мощностях накачки и стоксовой компоненты.
Как следует из Рис. 19, наша экспериментальная точность достаточно велика для того, чтобы выявить наличие спектрального провала в спектре ВКР-усиления в случае неоднородного насыщения. Уменьшение усиления на длине волны в центре ожидаемого провала, \гае/ 929 нм, индуцированного стоксовой компонентой, составляет величину порядка 60%. Спектральная ширина генерируемой стоксовой компоненты 1 нм, что мало но сравнению с шириной спектра ВКР-усиления. Следовательно, спектральный провал должен быть хорошо различим в наших условиях, однако он не наблюдается.
С ростом мощности накачки наблюдается некоторое смещение спектра ВКР-усиления в коротковолновую область на величину 0,5нм, Рис. 20. Маловероятно, что данное смещение обусловлено изменением частоты иттербиевого лазера накачки, так как с ростом мощности накачки частота иттербиевого лазера смещается на небольшую величину в противоположном направлении, что было проверено экспериментально с помощью оптического анализатора спектра. Более того, смещение спектра ВКР-усиления не наблюдается в том случае, когда отсутствует генерация первой стоксовой компоненты.
Возможны две причины наблюдаемого однородного насыщения ВКР-усиления: насыщается сам коэффициент ВКР-усиления grt(Po, Ps) с ростом мощности стоксовой компоненты Ps или источником насыщения является истощение мощности накачки PP(PQ,PS). Для идентифицирования механизмов насыщения проведем далее теоретическое рассмотрение в рамках модели с постоянным коэффициентом ВКР-усиления QR.
Система уравнений, которая описывает изменение мощности волны накачки и пробной антистоксовой волны, может быть легко получена из (1) путем добавления уравнения на аптистоксову волну, аналогичного уравнению на стоксову волну:
Структура продольных мод и шумы ВКР-лазера
В предыдущем параграфе было показано, что генерация стоксовой компоненты начинается сразу на всех длинах волн, на которых суммарное усиление превосходит суммарные потери. Данный факт косвенно подтверждает предположение о независимости генерации различных продольных мод, сделанное в 5. Механизм подобного поведения, однако, остается неясным. Более того, исходя из результатов главы III, а именно однородного насыщения ВКР-усиления, можно было бы предположить, что в припороговой области генерации стоксовой компоненты должен наблюдаться режим одной продольной моды или близкий к нему, что не подтверждается экспериментальными данными, см. 9. Следовательно, необходимо проведение дополнительного исследования механизмов формирования спектра ВКР-лазера особенно при небольших мощностях стоксовой компоненты. Характер связи продольных мод должен проявиться в спектре межмодовых биений.
Кроме того, исследование структуры мод ВКР-лазера посредством изучения спектра межмодовых биений позволит решить еще одну важную научно-практическую задачу. Хорошо известно, что генерация на двух близких частотах приводит к появлению сигнала биений, амплитуда которого медленно осциллирует с разностной частотой. Следовательно, наличие различных продольных мод в спектре генерации ВКР-лазера может приводить к флуктуациям его выходной мощности, то есть шумам. Уровень флуктуации мощности является важной характеристикой ВКР-лазеров как источников накачки волоконных усилителей. За счет эффекта передачи флуктуации из лазера накачки в ВКР-усилитель существенным образом увеличивается коэффициент ошибок в усилителе [144], что негативно сказывается на пропускной способности линии связи. Анализируя спектр межмодовых биений, можно вычислить уровень шумов ВКР-лазера и определить допустимость его использования в качестве источника накачки усилителей.
Несмотря на актуальность вопроса ранее детальных и целенаправленных исследований модовой структуры ВКР-лазеров не проводилось. Впрочем, флуктуации в спектре межмодовых биений зачастую наблюдались при изучении других характеристик ВКР-лазеров. Так в работе [108] упоминается о том, что наблюдались биения в радиочастотном спектре выходного излучения, и частота этих биений совпадала со временем обхода резонатора изучаемого кольцевого ВКР-лазера. Флуктуации неразличимой структуры с амплитудой до 10% в полосе 500 МГц наблюдались в спектре радиочастотных биений и в работе [22]. Авторы работы [145] в выходном излучении поляризованного ВКР-лазера кроме флуктуации, близких по периоду ко времени обхода резонатора, наблюдали также и множество структур как с большими (до 50 раз) так и с меньшими (до 10 раз) характерными временами. В [146] докладывается о наблюдении низкочастотных (в полосе до 100 кГц) флуктуации интенсивности в одноступенчатом волоконном ВКР-лазере длиной 5 км. Необходимо отметить, что ввиду большой ширины спектра генерации ВКР-лазера, достигающей нескольких нанометров (см. главу II) и малого расстояния между различными модами, составляющего доли мегагерца для резонатора длиной несколько сотен метров, представляется интересным существование биений на частотах порядка нескольких гигагерц. Таким образом, исследование спектра межмодовых биений выходного излучения волоконного ВКР-лазера является важной и актуальной задачей как для понимания механизмов формирования спектра генерации, так и для возможных применений и требует специального рассмотрения.
Для исследования модовой структуры двухступенчатого ВКР-лазера на основе фосфосиликатпого волокна длиной 370 метров (см. Рис.4) был применен метод радиочастотных биений. Выходное излучение ВКР-лазера колл им провал ось с помощью градиентной линзы и разделялось на компоненты с помощью двух призм. Регистрация радиочастотного спектра межмодовых биений для каждой компоненты (волны накачки и двух стоксовых волн) производилась с помощью лавинного фотодиода со временем отклика 50 пс и анализатора радиочастотного спектра. Заметим, что в нашем случае флуктуации интенсивности не превышали 1-2% от среднего уровня для всех трех волн. Данный уровень флуктуации наблюдался в двухступенчатом ВКР-лазере и ранее [125], однако в экспериментах с поляризованным ВКР-лазером наблюдались большие (до 50%) низкочастотные флуктуации [145]. Позднее описанный выше метод применялся для анализа уровня флуктуации в [12].
В радиочастотном спектре междомодовых биений волны накачки наблюдаются высокочастотные резонансы, разделенные на Ар = с/21п & б МГц (п — показатель преломления), что соответствует времени обхода резонатора иттербиевого лазера длиной / « 16м, Рис.27. Данная картина наблюдается вплоть до частот 1 ГГц — верхней границы диапазона измерений использовавшегося анализатора электрического сигнала. В эксперименте не наблюдалось различий между структурой межмодовых биений для волны накачки на входе и на выходе из ВКР-лазера. Описываемый эксперимент проводился без дополнительной ВБР, помещенной на выходе из ВКР-лазера и отражающей неиогло-щениос излучение накачки обратно в резонатор ВКР-лазера, см. Рис.4, поскольку ее наличие приводит к возникновению связанных резонаторов для иттербиевого лазера, что усложняет анализ экспериментальных данных. При использовании подобной решетки в спектре межмодовых биений волны накачки структура с периодом 6 МГц оказывается промоделированной биениями с межмодовой частотой 0,3 МГц, что соответствует времени обхода волной накачки резонатора ВКР-лазера. Отметим, что спектр межмодовых биений в иттербиевом лазере накачки изучался и ранее [147].
