Введение к работе
Актуальность темы
Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной квантовой электроники. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Ряд преимуществ волоконных лазеров по сравнению с традиционными квантовыми генераторами позволяют им найти различные применения, среди которых телекоммуникация, медицина, обработка материалов, оптическая локация, беспроводная оптическая связь и др. В ряде применений волоконные лазеры уже заменяют традиционные излучатели.
В настоящее время разработаны и промышленно производятся мощные лазеры на основе волокон, легированных ионами Yb3+, Er3+, Tm3+. Получили распространение волоконные лазеры на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния. Ведутся активные исследования лазеров на основе волокон, легированных висмутом. Эти источники в совокупности позволяют перекрыть спектральный диапазон от 1 до 2 мкм.
В то же время волоконные лазеры, излучающие на длинах волн более 2 мкм, разработаны значительно слабее. Интерес к таким источникам обусловлен тем, что в области 2.1-2.2 мкм расположен локальный максимум пропускания атмосферы. Кроме того, в медицине достаточно широкое распространение нашли твердотельные гольмиевые лазеры, излучающие на длине волны 2.05 мкм. Широкое клиническое применение таких лазеров обусловлено высоким коэффициентом поглощения излучения биотканями. Замена твердотельных лазеров на компактные волоконные устройства позволила бы упростить использование таких излучателей в медицинской практике.
В диссертационной работе рассматривается возможность реализации эффективных гольмиевы лазеров в полностью волоконном исполнении, излучающих на длинах волн более 2 мкм. К достоинствам данного типа лазеров можно отнести компактность, высокую эффективность генерации и качество пучка, отсутствие сложного обслуживания при эксплуатации.
Цель и задачи работы
Разработка эффективных волоконных лазеров на базе оптического волокна, легированного ионами гольмия. Изучение влияния концентрации легирующей примеси на динамические характеристики, и на эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров. Разработка оптической схемы импульсного гольмиевого волоконного лазера.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Оптимизация концентрации ионов гольмия при легировании кварцевого волокна. Исследование спектра оптических потерь кварцевого волокна в диапазоне генерации гольмиевых волоконных лазеров (2–2.15 мкм).
2. Проведение экспериментов по оптимизации оптической схемы лазера для повышения эффективности генерации лазера.
3. Исследование нелинейного пропускания оптических волокон, легированных ионами гольмия, и проведение экспериментов по использованию гольмиевого волокна в качестве насыщающегося поглотителя в схемах импульсных волоконных лазерах.
Научная новизна
-
В результате оптимизации активного волокна и схемы лазера реализован волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью генерации, составившей 81%. Измерена спектральная эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров.
-
Обнаружен и исследован динамический режим работы гольмиевых лазеров в зависимости от концентрации ионов гольмия в активном волокне.
-
Разработана оригинальная схема иттербиевого волоконного лазера с модуляцией добротности с использованием гольмиевого волокна в качестве пассивного затвора.
-
Предложена и реализована схема импульсного гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме модуляции добротности, где в качестве затвора использовался отрезок высококонцентрированного гольмиевого волокна.
Практическая ценность
Реализован ряд эффективных источников лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона с длиной волны излучения 2–2.15 мкм, которые могут быть использованы для мониторинга газового состава воздуха, для лазерной локации, в системах связи, в медицине, в тепловидении, для военно-технических применений. Кроме того, излучение среднего инфракрасного диапазона менее опасно для зрения по сравнению с видимым и ближним инфракрасным диапазоном, что упрощает практическое использование источников лазерного излучения данного типа.
Защищаемые положения
-
Иттербиевые волоконные лазеры длинноволнового диапазона эффективны для накачки гольмиевых волоконных лазеров. Реализация набора гольмиевых лазеров, а также широкополосного источника двухмикронного диапазона.
-
Концентрация легирующей примеси и состав сетки стекла влияет на эффективность генерации, возможность ее оптимизации, а также оптимизация схемы лазера для повышения эффективности генерации.
-
Концентрация примеси ионов гольмия влияет на динамические характеристики лазера и на получение непрерывного режима генерации.
-
Оптическое волокно, легированное ионами гольмия, эффективно работает в качестве насыщающегося поглотителя в схеме импульсного иттербиевого волоконного лазера.
-
Реализация гольмиевого волоконного лазера, работающего в режиме пассивной модуляции добротности.
Личный вклад диссертанта
Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично либо в соавторстве при его непосредственном участии.
Апробация работы
Основные результаты были доложены на международных конференциях CLEO/Europe-2009, CLEO/Europe-2011 (Мюнхен, Германия), на международной конференции Advanced Laser Technologies – 2010 (г. Игмонд ан Зии, Нидерланды), на XX международной конференции Laser Physics Workshop – 2011 (г. Сараево, Босния и Герцеговина), на втором (Саратов, 2008 г.), третьем (Уфа, 2009 г.) и четвертом (Ульяновск, 2010 г.) российском семинаре по волоконным лазерам, на шестой (г. Саранск, 2007 г.) и седьмой (г. Саранск, 2008 г.) всероссийской научной школе, на второй (Пермь, 2009 г.) и третьей (Пермь, 2011 г.) всероссийских конференциях по волоконной оптике, на XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010» (г. Москва, 2010 г.), на XII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (о. Байкал, пос. Хужир, 2010 г.), а также докладывались на конкурсе молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН (г. Москва, 2010 г.).
Публикации
Основные результаты опубликованы в 10 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и в 15 тезисах российских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 102 страницы, включая 68 рисунков и список литературы из 104 наименований.
