Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Иттербиевые волоконные лазеры. (По литературе) 9
1.1. Активные волоконные световоды 9
1.2. Иттербиевые волоконные лазеры с накачкой в оболочку 17
1.3. Способы получения импульсного режима 22
1.4. Источники широкополосного излучения на основе иттербиевых волоконных световодов с двойной оболочкой 24
1.5. Постановка задач 26
Глава 2. Влияние нагрева на оптические свойства волоконных световодов, легированных ионами Yb3+ 27
2.1. Температурная зависимость спектров поглощения и люминесценции волоконных световодов, легированных ионами Yb 27
2.2. Влияние нагрева на эффективность генерации волоконных лазеров... 33
2.3. Иттербиевый волоконный лазер с длиной волны генерации 1.18 мкм.39
2.4. Выводы 41
Глава 3. Иттербиевый волоконный лазер с самомодуляцией добротности 43
3.1. Схема лазера с нелинейной обратной связью 43
3.2. Исследование характеристик импульсного волоконного лазера 47
3.3. Импульсный лазер на основе GTWave-световода 52
3.4. Выводы 60
Глава 4. Широкополосный и перестраиваемый источники излучения на основе GTW-световода 62
4.1. Широкополосный источник на основе GTWave-световода 62
4.2. Перестраиваемый волоконный лазер на основе GT Wave-световода .65
4.3. Выводы 72
Глава 5. Волоконные лазеры с рефлекторами на основе многомодовых решёток Брэгга 74
5.1. Волоконная решётка Брэгга, записанная на градиентном световоде...74
5.2. Одномодовый волоконный иттербиевый лазер с многомодовым волоконным брэгговским отражателем 76
5.3. Многомодовый иттербиевый волоконный лазер 82
5.4. Выводы 86
Заключение 88
Литература
- Иттербиевые волоконные лазеры с накачкой в оболочку
- Влияние нагрева на эффективность генерации волоконных лазеров...
- Исследование характеристик импульсного волоконного лазера
- Перестраиваемый волоконный лазер на основе GT Wave-световода
Введение к работе
Разработка и исследование волоконных усилителей и лазеров, использующих в качестве активной среды волоконные световоды, легированные ионами ряда редкоземельных элементов, является одним из направлений современной квантовой электроники. Впервые волоконный лазер был продемонстрирован Снитцером в 1961 г., получившим лазерную генерацию в стекле, легированном ионами неодима Nd3+ [1]. Начало бурного развития этого направления связано с демонстрацией возможности использования волоконных световодов, легированных ионами эрбия Ег3+[2], в качестве волоконных усилителей сигнала на длинах волн в диапазоне 1.53-1.56 мкм. Применение волоконных усилителей позволяло отказаться от использования электронных ретрансляторов и перейти к созданию нового поколения волоконно-оптических линий связи. Это привело к использованию специальных волоконных световодов в качестве активной среды лазеров. Кроме того, исследования в области волоконно-оптических усилителей послужили толчком для создания мощных полупроводниковых источников накачки. Открытие фоторефрактивного эффекта в световодах [3] и создание техники записи внутриволоконных брэгговских отражающих решеток [4] позволили формировать селективные брэгговские зеркала непосредственно в волоконных световодах. Таким образом, появилась возможность реализовывать лазерные резонаторы полностью в волоконном исполнении, без внешних объёмных элементов [5, 6, 7].
Разработка мощных полупроводниковых источников с широкой светоизлучающей областью позволила приступить к созданию непрерывных волоконных лазеров средней мощности - от сотен милливатт до десятков ватт. Подробный обзор результатов, полученных в области создания и исследования непрерывных волоконных лазеров средней мощности (Р ~ 10"1 — 102 Вт), представлен в работе [8]. В основе таких устройств лежит использование волоконных световодов с двойной оболочкой и сердцевиной,
легированной активной примесью. Наиболее распространенной легирующей
добавкой для таких световодов являются ионы иттербия Yb . В настоящее время в иттербиевых волоконных лазерах достигнута непрерывная выходная мощность, составляющая 615 Вт одной поперечной моде и 1 кВт в многомодовом режиме [9, 10, 11, 12, 13].
Иттербиевые волоконные лазеры находят применения в телекоммуникации, являясь источниками накачки ВКР-лазеров [14,15], и усилителей [16, 17], в частности для накачки двухволновых ВКР-источников [18, 19]. В то же время, достигнутые уровни выходной мощности значительно расширяют области их применения, позволяя конкурировать волоконным лазерам с твердотельными в обработке материалов, медицине, военно-технических применениях и пр. [20].
Следует отметить, что к началу диссертационной работы проблема создания волоконного лазера на основе иттербиевых волоконных световодов с накачкой в оболочку была, в основном, решена. Вместе с тем, основные направления исследований в этой области были связаны с повышением эффективности и выходной мощности иттербиевых волоконных лазеров [21, 22, 23]. Значительно меньшее внимание уделялось таким вопросам, как влияние внешних воздействий (в частности, нагрева) на характеристики лазера, что выглядит необходимым как с фундаментальной, так и практической точки зрения. Кроме того, отсутствовали исследования в области создания импульсных лазеров в чисто волоконном исполнении, хотя достижение высоких пиковых мощностей предоставляет новые области их возможных применений. Для ряда применений требование одномодового характера излучения лазера не является обязательным, поэтому разработка варианта схемы многомодового лазера также представляет значительный интерес, так как это открывает возможности значительного повышения мощности выходного излучения [24, 25]. Отметим также, что в литературе недостаточно освещены вопросы усилительных свойств иттербиевых
волоконных световодов, особенно это касается свойств GTWave-световода, предложенного в [26].
Таким образом, актуальность работы определяется широким кругом реализованных и возможных применений источников излучения на основе иттербиевых волоконных световодов, а также необходимостью более детального исследования оптических свойств этих световодов и лазеров на их основе и расширения круга возможных лазерных конфигураций.
Следует отметить, что, вообще говоря, круг задач, связанных с исследуемым объектом, является чрезвычайно широким. Данная работа посвящена лишь отдельным аспектам проблемы исследования иттербиевых волоконных лазеров и усилителей. Ее цели могут быть сформулированы следующим образом:
исследование влияния нагрева на оптические свойства иттербиевых волоконных световодов и лазеров на их основе;
исследование возможности создания импульсного иттербиевого волоконного лазера без использования объемных элементов;
исследование свойств иттербиевого GTWave-световода и реализация широкополосного источника на его основе, а также исследование перестраиваемого волоконного лазера на основе иттербиевого GTWave-световода;
реализация и исследование волоконного лазера с отражателями на основе многомодовых брэгговских решеток, излучающего как в многомодовом, так и одномодовом режимах.
Следует отметить, что все цели работы требуют проведения оригинальных исследований, что и определяет ее новизну.
Содержательная часть диссертационной работы состоит из четырёх глав.
В Главе 1 проведён обзор опубликованной литературы, касающейся вопросов исследования свойств волоконных световодов, легированных
ионами иттербия. Подробно описаны спектральные свойства ионов иттербия в кварцевом волоконном световоде, рассмотрены результаты исследований поглощения и люминесценции, характеристики световодов, легированных иттербием, способы накачки лазеров и усилителей. Также рассмотрены основные свойства GTWave-световодов.
Иттербиевые волоконные лазеры с накачкой в оболочку
Полоса люминесценции состоит из узкой линии с центром на 976 нм, что соответствует переходу с подуровня е на подуровень а и линии с максимумом на 1.034 нм, простирающейся примерно до 1200 нм, что соответствует переходам с подуровня е на подуровни Ъ, с и d. Соответствующая спектральная зависимость сечения люминесценции представлена на рисунке 36 сплошной линией.
Следует отметить, что представленные спектры поглощения и люминесценции соответствуют комнатной температуре. Поскольку степень поглощения и испускания зависит от населённости уровня, то спектры, соответственно, меняются при изменении температуры световода. Так, в работе [49] были проведены исследования спектральных свойств и зависимости времени жизни возбуждённого состояния при низких температурах в высоколегированной иттербием фосфорной стеклянной заготовке. Было показано, что при уменьшении температуры поглощение с основного подуровня уменьшается, при этом в коротковолновую область смещается длина волны перехода. Также при охлаждении увеличивается люминесценция, поскольку под влиянием температуры изменяется населённость уровней в соответствии с распределением Больцмана.
Насколько нам известно, для волоконных световодов, легированных ионами иттербия, исследование температурного влияния на спектр поглощения и люминесценции не проводились. В то же время данный вопрос представляется актуальным, так как для мощных лазеров даже небольшие нерезонансные потери могут приводить к нагреву активной среды. Параллельно с нашими исследованиями в компании IPG Laser GmbH проводились эксперименты по исследованию температурной зависимости длины волны генерации лазера. Результаты представлены в виде доклада на 11 конференции «Оптика лазеров» [50], но опубликованы не были.
На рисунке 4 представлена простейшая конфигурация волоконного лазера, состоящего из полупроводникового источника накачки с волоконным выходом, отрезка волоконного световода, легированного активными ионами, и двух брэгговских решёток. Входная брэгговская решётка обычно имеет коэффициент отражения, близкий к 1, а необходимый коэффициент отражения выходной решётки обусловливается величиной усиления излучения в активном световоде. Данная схема лежит в основе других конфигураций волоконных лазеров, в частности, лазера на основе волоконного световода с двойной оболочкой.
Данный тип лазеров используется для достижения высоких (более 1 Вт) выходных мощностей. В качестве активной среды мощных волоконных лазеров используются волоконные световоды, состоящие из трёх слоев: одномодовой сердцевины, легированной как активной примесью редкоземельного элемента, так и примесями, формирующими профиль показателя преломления; внутренней кварцевой оболочки; внешней полимерной оболочки с показателем преломления, пониженным по сравнению с кварцевым стеклом. Внутренняя кварцевая оболочка имеет типичный размер 0.1-1 мм, что обеспечивает возможность ввода излучения накачки от полупроводниковых источников с мощностью от нескольких до нескольких десятков Ватт. Таким образом, использование ионов иттербия в качестве активной примеси позволяет предполагать возможность создания эффективных, компактных волоконных лазеров с длиной волны генерации в диапазоне 0.98-1.2 мкм.
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 (рисунок 4). Достоинством такого способа является возможность его использования для всех описанных выше типов световодов с двойной оболочкой. К недостаткам - то, что в данном случае возможно использование лишь одного источника накачки (полупроводникового лазера или их сборки), поэтому вводимая в световод мощность ограничена современными возможностями полупроводниковой технологии.
Две других схемы накачки используют принцип распределения вводимого излучения накачки по длине активного световода. Так, в работе [51] для ввода накачки предлагается использовать набор V-образных канавок, изготовленных на боковой поверхности световода. Несомненным достоинством такого способа накачки 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.
Влияние нагрева на эффективность генерации волоконных лазеров...
Возможны два механизма влияния нагрева на эффективность волоконных лазеров. Первый из них связан с изменением поглощения в полосе накачки при изменении температуры. При этом можно ожидать уменьшения выходной мощности лазера из-за неполного поглощения излучения накачки. Однако источники большой мощности, используемые для накачки волоконных источников, как правило, состоят из набора одиночных полупроводниковых лазеров с несколько различными длинами волн. Как видно из рисунка 10, нагревание приводит к уширению полосы поглощения, поэтому следует ожидать более эффективного поглощения излучения лазеров с длинами волн излучения, смещенными относительно центра полосы поглощения. Этот эффект может компенсировать уменьшение использования излучения диодов с оптимальной длиной волны. Более того, если спектр источника накачки смещён в целом относительно максимума полосы поглощения, можно ожидать увеличения эффективности лазера при нагреве активного волоконного световода. Таким образом, проявление данного механизма определяется конкретными характеристиками используемого источника накачки.
Другой механизм связан с увеличением поглощения в полосе 1034 нм и, соответственно, в длинноволновом крае этой полосы. Следует ожидать, что для лазеров с длинами волн излучения вблизи центра этой полосы увеличение поглощения приведёт к уменьшению выходной мощности волоконного лазера. В то же время, для лазеров с длиной волны генерации, расположенной в области длинноволнового края полосы люминесценции, можно ожидать увеличения эффективности за счёт меньшей конкуренции со стороны усиленной спонтанной люминесценции.
В работе исследовалось влияние нагрева на волоконные лазеры с резонаторами на основе решёток Брэгга с резонансными длинами волн на 1064 и 1150 нм. Схема установки для исследования лазеров показана на рисунке 12. Брэгговские решётки располагались вне зоны нагрева. При увеличении температуры увеличивается поглощение в этом спектральном диапазоне, что приводит к уменьшению мощности генерации на этой длине волны и увеличению мощности усиленной спонтанной люминесценции в более длинноволновой области (1080-1090 нм). При дальнейшем нагреве происходит срыв генерации на длине волны, заданной брэгговскими решётками, и лазер начинает излучать в области максимума усиленной спонтанной люминесценции. При этом резонатор лазера образуется за счёт френелевского отражения от торцов световода и лазер работает в импульсном режиме.
На рисунке 136 показан спектр генерации лазера с резонатором, образованном брэгговскими решётками с резонансами на 1150 нм. Генерация на данной длине волны наблюдалась во всём исследованном диапазоне температур. При этом хорошо видно уменьшение мощности усиленной спонтанной люминесценции в спектральной области 1060-1120 нм.
На рисунке 14 показана зависимость выходной мощности лазеров от температуры. Уменьшение мощности генерации на длине волны 1064 нм объясняется как уменьшением степени инверсии из-за падения поглощения накачки, так и возрастанием перепоглощения сигнала. При этом при определенной температуре генерация на решётках Брэгга срывается. Для лазера с длиной волны излучения 1150 нм наблюдается некоторое увеличение мощности на начальной стадии нагрева, которое связано с уменьшением интенсивности усиленной спонтанной люминесценции в диапазоне 1000-1100 нм из-за возрастания поглощения в этой спектральной области. Падение мощности генерации при температурах выше 100С объясняется тем, что рост края полосы поглощения начинает сказываться и на этой длине волны.
Исследование характеристик импульсного волоконного лазера
Длительность и мощность импульса, выходящего через Выход 2 в прямом направлении, значительно больше длительности импульса, выходящего через Выход 1. Это объясняется тем, что через Выход 1 выходит импульс, прошедший через активную среду однократно, а через Выход 2 -отразившийся от брэгговской решётки и повторно прошедший через активный световод. Для исследования преобразования спектра импульсного лазера к выходу волоконного ответвителя приваривался дополнительный отрезок одномодового световода. Длина световода изменялась от нескольких метров до 3 км. При небольшой длине дополнительного световода (до 100 м) изменений в работе лазера не наблюдалось. При добавлении световода длиной более 1 км лазер переходил в непрерывный режим работы, т.к. высокий уровень обратного рассеянного излучения являлся, по-видимому, достаточным для возникновения непрерывной генерации.
Особый интерес для преобразования вызывает использование световодов с высокой нелинейностью, в частности, световодов на основе германатного световода [80, 81]. На рисунке 29 показан выходной спектр излучения лазера, к выходу которого был приварен германатный одномодовый световод, отличающийся от кварцевого меньшим размером сердцевины, из-за чего значительно увеличивается плотность мощности излучения и, соответственно, эффект ВКР, а также более высоким коэффициентом рамановского рассеяния.
При добавлении отрезка германатного световода длиной 203 м в основном пике оставалось менее 1% мощности импульса, основная часть мощности распределялась по стоксовым компонентам. Возрастание мощности при увеличении длины волны может объясняться уменьшением оптических потерь в германатном световоде в длинноволновой части спектра. Для сравнения на рисунке показан спектр импульса, прошедший через германатныи световод длиной 5 м, в котором существенного влияния дополнительного отрезка световода на выходной спектр не оказано, и его спектр сравним со спектром лазера без дополнительных световодов после ответвителя.
Для возникновения импульсного режима генерации вместо ответвителя и волоконного кольца также возможно использовать линейную схему, в которой обратная связь достигается за счет использования дополнительного отрезка волоконного световода определенной длины [64], соединяющий активный световод и выходной изолятор. На рисунке 30 показана схема импульсного лазера на основе GTWave-световода с дополнительным световодом.
Были исследованы выходные характеристики импульсного лазера при использовании различных световодов. На рисунке 31 показаны выходные спектры генерации импульсного лазера со одномодовым световодом на основе германосиликатного стекла, световодом на основе германатного стекла и микроструктурированным световодам. Длина световодов во всех случаях составила 20 м.
Одномодовый волоконный световод имел следующие параметры: диаметр сердцевины- 5.5 мкм, Максимальная разность показателей преломления сердцевины и оболочки- 0.01, длина волны нулевой дисперсии около 1,4 мкм. В случае применения этого световода в выходном спектре наблюдалось присутствие нескольких стоксовых компонент в области нормальной дисперсии, переходящих в суперконтинуум в области аномальной дисперсии. Средняя выходная мощность составила 280 мВт при мощности накачки 1.8 Вт на длине волны 976 нм.
Световод на основе германатного стекла имел сердцевину, содержащую 75% диоксида герамания при диаметре 2 мкм. Исследование выходного спектра показало, что мощность излучения распределяляется по дискретным стоксовым компонентам во всем сканируемом диапазоне. Это объясняется тем, что длина волны нулевой дисперсии германатного световода по оценкам составляет более 2 мкм. Средняя выходная мощность в исследованном случае составила- 260 мВт при мощности накачки 1.8 Вт. На рисунке 32 показана фотография сечения использованного микроструктурированного световода, с оболочкой, сформированной четырьмя слоями воздушных отверстий.
Перестраиваемый волоконный лазер на основе GT Wave-световода
Показано, что для волоконных лазеров с накачкой в оболочку на основе одномодовых и многомодовых световодов можно использовать многомодовую волоконную брэгговскую решётку, записанную на градиентном световоде. Преимущества использования многомодовой решётки заключаются в возможности использовать активные световоды с увеличенным размером сердцевины, что позволяет значительно увеличивать мощность излучения.
Продемонстрирован одномодовыи волоконный лазер с многомодовым отражателем и эффективностью 60%.
Реализована серия компактных многомодовых лазеров с отражателями на основе многомодовых решеток с эффективностью 50-58%. Исследованы спектральные характеристики изготовленных лазеров. Заключение Основные результаты диссертации состоят в следующем:
1. Исследовано влияние нагрева на спектры поглощения и люминесценции волоконных световодов, легированных ионами Yb3+, а также на генерационные характеристики лазеров на их основе. Показано, что спектральная область эффективной генерации иттербиевых лазеров при нагреве сдвигается в длинноволновую часть спектра. На основе полученных результатов впервые был создан иттербиевый волоконный лазер, излучающий на длине волны 1180 нм с эффективностью более 30 % при нагреве до температуры 150 С.
2. Впервые для волоконных лазеров на основе иттербиевых волоконных световодов с накачкой в оболочку реализован режим самомодуляции добротности за счет нелинейной обратной связи. Максимальная пиковая мощность составила более 5 кВт. Для защиты источника накачки от распространяющихся назад импульсов использована оригинальная схема ввода излучения через волоконный световод, легированный ионами Sm3+.
3. Впервые на основе GTWave-световода, легированного ионами Yb3+, реализован широкополосный источник излучения в диапазоне 1.03-1.1 мкм. Ширина спектра излучения источника по уровню -3 дБ составила 47 нм, максимальная выходная мощность 22 мВт. Впервые с использованием такого световода реализован перестраиваемый источник излучения в диапазоне 1.06-1.13 мкм. Получена генерация в диапазоне 1.06 - 1.13 мкм с шириной линии излучения -0.03 нм. Максимальная мощность, полученная на выходе источника 100 мВт. С использованием усилителя на основе иттербиевого GTWave-световода максимальная мощность, составила 500 мВт.
4. Впервые для формирования резонатора волоконного лазера использованы брэгговские волоконные решётки, записанные в многомодовом световоде с градиентным профилем показателя преломления. Реализованы и исследованы свойства волоконных лазеров, излучающих в одномодовом и многомодовом режимах. Эффективность лазеров достигает 60%. Предложенный вариант схемы волоконного лазера является перспективным для создания мощных волоконных излучателей.
В заключение автор благодарит сотрудников Научного центра волоконной оптики при ИОФ РАН, без взаимодействия и сотрудничества с которыми эта работа не была бы проделана. Отдельно хотелось бы выразить благодарность моему научному руководителю Куркову Андрею Семеновичу, а так же Парамонову Владимиру Михайловичу за выбор научного направления и постоянную поддержку во время работы. Важную роль в работе сыграла поддержка директора НЦВО Дианова Евгения Михайловича. Так же хотелось бы отметить вклад в работу Неуструева В.Б., Васильева С.А., Медведкова О.И., Буфетова И.А., Мелькумова М.А., Семенова С.Л., Богатырева В.А., Сысолятина А.А. и сотрудников других институтов: Фотиади А.М (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН), Раздобреева И.М. (Universite des Sciences et Technologies de Lille, France), Гурьянова A.H., Хопина В.Ф., Лаптева А.Ю., Яшкова М.Ю., Вечканова Н.Н. (ИХВВ РАН), а так же других сотрудников российских и зарубежных научных лабораторий за плодотворное сотрудничество.
