Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Висмутовые активные световоды 17
1.1. ИК висмутовые активные центры 17
1.1.1. Кварцевые световоды, легированные висмутом, без дополнительных легирующих добавок 20
1.1.2. Германосиликатные световоды, легированные висмутом. 23
1.1.3. Алюмосиликатные и фосфоросиликатные световоды, легированные висмутом. 26
1.1.4. Физическая природа ИК висмутовых активных центров в стеклах. 29
1.2. Висмутовые волоконные лазеры 29
1.2.1. Si-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые лазеры в спектральном диапазоне 1390-1520 нм) 30
1.2.2. P-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые волоконные лазеры в спектральном диапазоне 1270-1360 нм) 34
1.2.3. Al-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые волоконные лазеры в спектральном диапазоне 1140-1220 нм) 36
1.2.4. Ge-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые волоконные лазеры в спектральном диапазоне 1625-1775 нм) 38
1.3. Импульсные лазеры 41
1.3.1. Алюмосиликатные световоды. 41
1.3.2. Фосфоросиликатные световоды. 41
1.3.3. Германосиликатные световоды 42
1.4. Висмутовые волоконные усилители 42
1.4.1. Германосиликатные световоды. 43
1.4.2. Фосфоросиликатные световоды. 44
1.4.3. Алюмосиликатные световоды. 46
Глава 2. Суперлюминесцентные волоконные источники излучения 48
2.1. Введение 48
2.2. Обзор СВИ. 49
2.2.1. Простейшие схемы СВИ 49
2.2.2. Сравнение характеристик двухпроходных СВИ с попутной и встречной накачкой 52
2.2.3. Температурная стабильность средневзвешенной длины волны излучения СВИ в однопроходной конфигурации со встречной накачкой. 57
2.3. СВИ на германосиликатном световоде, легированном висмутом, со
средней длиной волны 1,44 мкм. 62
2.3.1. Влияние мощности накачки на спектр и мощность выходного сигнала 66
2.3.2. Описание установки для исследования влияния температуры 68
2.4. СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом, со средней длиной волны 1,34 мкм . 73
2.4.1. Двухпроходный СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом. 73
2.5. Выводы по главе 2 80
Глава 3. Поглощение из возбужденного состояния 82
3.1. Введение 82
3.1.1. ПВС в световодах, легированных висмутом 83
3.1.2. Измерение ПВС в волоконных световодах 85
3.2. Экспериментальная установка 87
3.3. Поглощение из возбужденного состояния в световодах, легированных висмутом. 90
3.3.1. Германосиликатные световоды, легированные висмутом . 91
3.3.2. Фосфоросиликатные висмутовые световоды 94
3.3.3. Алюмосиликатные висмутовые световоды 95
3.4. Выводы по главе 3 108
Заключение 110
Литература
- Висмутовые волоконные лазеры
- Сравнение характеристик двухпроходных СВИ с попутной и встречной накачкой
- СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом, со средней длиной волны 1,34 мкм
- Германосиликатные световоды, легированные висмутом
Висмутовые волоконные лазеры
К настоящему времени были исследованы оптические свойства большого количества висмут-содержащих стекол различного состава. Начиная с работы [1], ИК-люминесценция в диапазоне 1-2 мкм была обнаружена и исследована в значительном количестве таких стекол. Стекла изготавливались по различным технологиям, в том числе и по волоконно-оптическим. В последнем случае висмут-содержащее стекло представляло собой сердцевину волоконного световода. Люминесцентные свойства стекол, легированных висмутом, зависят от состава стекла, концентрации висмута и технологии изготовления. До настоящего времени оптическое усиление и лазерная генерация были получены только в волоконных световодах на основе кварцевого стекла. В обзоре мы ограничимся рассмотрением свойств только висмутовых волоконных световодов, главным образом только таких, в которых наблюдалось реальное оптическое усиление и лазерная генерация.
Отдельно следует остановиться на рабочих концентрациях висмута в ВС. ИК люминесценция в ВС, легированных висмутом, обусловлена присутствием ИК висмутовых активных центров (ВАЦ). С одной стороны, появление люминесценции вызвано, несомненно, введением в состав стекла висмута - без него ИК люминесценция отсутствует. С другой стороны, в стеклах с высоким содержанием трехвалентного висмута (на уровне десятков моль %) ИК люминесценция и соответствующие полосы поглощения часто не наблюдаются [2, 3]. Следовательно, в состав ВАЦ входят атомы висмута в состоянии, отличном от трехвалентного. Эффективное усиление и лазерная генерация наблюдаются только в волоконных световодах с низкой концентрацией висмута (обычно меньше или порядка 0.1 вес %). При увеличении концентрации висмута сначала наблюдается некоторое повышение концентрации ВАЦ (она может быть оценена по уровню оптического поглощения в известных полосах поглощения ВАЦ [4]). Но при дальнейшем увеличении концентрации висмута рост концентрации ВАЦ происходит медленнее, чем рост уровня оптических потерь в световоде [5]. В результате достижение оптического усиления и генерации затрудняется. В рабочих же световодах концентрация ВАЦ составляет (1017-1018) см-3, как это было оценено в [6]. Измерения квантового выхода люминесценции в германосиликатных световодах, легированных висмутом [7] так же показали, что квантовый выход люминесценции близок к единице в германосиликатных световодах с низкой концентрацией ВАЦ и уменьшается с ростом концентрации.
В работе [8] были проведены детальные измерения интенсивности люминесценции (Ilum) в зависимости от длин волн эмиссии (lem) и возбуждения (lex) в широком спектральном диапазоне от 250 до 1700 нм для висмутовых световодов различного состава. Состав сердцевины и метод изготовления приведены в Таб. 1. По измеренным данным были построены контурные графики Ilum(lex, lem ) - Рис. 1.2 - Рис. 1.8. Контурный график спектра люминесценции, подобный, например, представленному на Рис. 1.3, построен на основании »140 обычных двумерных спектров люминесценции и является очень компактным способом представления полученной информации. На таком графике наглядно представлены как полосы люминесценции, так и спектральные области возбуждения каждой наблюдаемой полосы.
Концентрация висмута в сердцевинах световодов не превышала порога чувствительности нашей измерительной аппаратуры (0.02 at%) Рис. 1.1. Спектры оптических потерь ASB, PSB, SB, и GSB световодов (снизу-вверх) [8].
Характерные спектры оптических потерь световодов, легированных висмутом, представлены на Рис. 1.1. Измерения спектров люминесценции проводились отдельно в диапазоне lex = (450-1700) нм и lex = (250-900) нм. В первом диапазоне люминесценция в одномодовых и многомодовых волоконных световодах (внешний диаметр 125 мкм) возбуждалась с помощью источника излучения суперконтинуума (Fianium) и регистрировалась с помощью спектроанализаторов НР и Ocean Optics [10]. В диапазоне lex = (250-900) нм люминесценция сердцевин заготовок соответствующих оптических волокон возбуждалась и измерялась с помощью флуориметра (Edinburgh Instruments) с помощью 3х оптических приемников, работающих в различных диапазонах. Таким образом, спектры люминесценции были получены в диапазоне 250-1700 нм с шагом lex 10 нм. Шаг lex определяет точность измерения положения пиков зависимости Ilum(lex, lem ). Полученные спектры люминесценции были скорректированы с учетом чувствительности системы детектирования и нормализованы по вводимой мощности накачки. Измерения производились при комнатной температуре. 1.1.1. Кварцевые световоды, легированные висмутом, без дополнительных легирующих добавок.
Известно, что возбуждение в УФ области может сопровождаться возникновением люминесценции, обусловленной наличием собственных дефектов сетки стекла. Для устранения неоднозначности в определении пиков, относящихся к ВАЦ или к собственным дефектам сетки стекла, в работе были измерены спектры возбуждения-эмиссии люминесценции для одинаковых по составу образцов, один из которых содержал висмут, а другой - нет. На Рис. 1.2 приведен такой график, полученный для среза заготовки чистого кварцевого стекла без других легирующих примесей. В этом случае наблюдался единственный пик люминесценции T2 (ex=252 нм, em=279 нм). Появление этой люминесценции обусловлено синглет-синглетным переходом кварцевого кислородно-дефицитного центра (ККДЦ) [11, 12]. Люминесценция триплет-синглетного перехода ККДЦ (на длине волны около 460 нм) не наблюдалась в [8] вследствие того, что сила осциллятора триплет-синглетного перехода в ККДЦ на 7 порядков меньше, чем синглет-синглетного перехода [11].
Сравнение характеристик двухпроходных СВИ с попутной и встречной накачкой
В [39] эффективный висмутовый лазер на 1160 нм был использован, для демонстрации возможности генерации желтого света с использованием частотного удвоения непрерывного излучения периодически поляризованным кристаллом ниобата лития (PPNL). Максимальная мощность желтого непрерывного излучения, полученная в этих экспериментах, составила 300 мВт. Аналогичные эксперименты были выполнены в [47]. Предполагается, что полученные результаты могут быть значительно улучшены путем создания висмутового лазера с линейной поляризацией выходного излучения и узкой шириной линии.
Германосиликатные световоды, легированные висмутом, использовались в качестве активной среды для создания висмутовых лазеров в спектральном диапазоне 1625-1775 нм [49]. Лазеры были сконструированы по обычной линейной схеме с резонатором, состоящим из отрезка активного световода и волоконных брэгговских решёток, которыми определялась длина волны лазерной генерации (Las). Для получения генерации на длинах волн 1625 нм и 1775 нм использовалась пара брэгговских решеток с коэффициентом отражения близким к 100%. В случае длин волн генерации 1688, 1703, 1735 нм выходным зеркалом служил торец активного световода. В экспериментах по лазерной генерации источниками накачки были висмутовый волоконный лазер (Si-ВАЦ), работающий на длине волны 1460 нм, и Er-Yb волоконный лазер с длиной волны генерации 1568 нм. Излучение накачки вводилось в сердцевину активного световода. Длина активного световода варьировалась в диапазоне 15-20 м. Все измерения проводились при комнатной температуре.
Зависимость мощности излучения висмутового лазера на длине волны 1703 нм от мощности вводимой накачки [49]. В результате была получена лазерная генерация на длинах волн Las = 1625, 1688, 1703, 1735, 1775 нм при p = 1460 нм. Пороговое значение мощности накачки составила около 40 мВт. Зависимость выходной мощности на длине волны Las = 1703 нм от вводимой мощности накачки на длине волны p = 1460 нм представлена на Рис. 1.15. Дифференциальный КПД лазера не превосходил 1.5%. По-видимому, низкое значение КПД при p = 1460 нм обусловлено высоким уровнем поглощения накачки ВАЦ, ассоциированных с SiO2, которые не вносят вклад в лазерную генерацию в области 1700 нм. Для повышения КПД висмутового лазера было предложено использовать в качестве накачки излучение с длиной волны более чем 1460 нм, в частности излучение p=1568 нм Er-Yb волоконного лазера. В результате дифференциальный КПД висмутового лазера на длине волны 1703 нм стал выше и составил 6% (Рис. 1.15). Максимальное значение выходной мощности на длине волны Las = 1703 нм составило 150 мВт. Такой же КПД был получен для висмутового лазера с Las = 1735 нм. Позднее, после оптимизации световода КПД генерации в области 1,7 мкм был повышен до 20% [50].
На Рис. 1.16 показан спектр оптического усиления и отмечены длины волн, на которых была получена лазерная генерация. Ширина (по полувысоте) полосы усиления разработанного волоконного германосиликатного световода, легированного висмутом, составила 150 нм.
Спектр полного оптического усиления GSB световода. Стрелки и серые кружки показывают длины волн накачки (p) и полученной генерации (Las) соответственно [49].
Таким образом, германосиликатные световоды, легированные висмутом, являются перспективной активной средой для лазеров и усилителей, работающих в спектральном диапазоне 1625-1775 нм, что подтверждается полученными результатами по демонстрации лазерной генерации на длинах волн 1625, 1688, 1703, 1735 и 1775 нм. 1.3. Импульсные лазеры
В настоящее время продемонстрированы импульсные волоконные лазеры, работающие на трех лазерных висмутовых активных центрах: Al-ВАЦ, P-ВАЦ и Si-ВАЦ. И если импульсные лазеры на Al-ВАЦ уже исследовались в значительном количестве работ [51, 52, 53, 54, 55, 56], то по лазерам на P-ВАЦ и Si-ВАЦ только появились первые результаты [57, 58]. Кроме того, было предложено использовать легированные висмутом алюмосиликатные световоды в качестве насыщающегося поглотителя для модуляции добротности резонатора иттербиевого волоконного лазера [59].
Режим синхронизации мод в висмутовом лазере впервые был достигнут в 2007 году [51]. Стабильные 50 пс лазерные импульсы с частотой повторения 13 МГц со средней мощностью 2 мВт были получены на длине волны 1161,6 нм. В течение следующих трех лет на Al-ВАЦ были разработаны солитонные волоконные лазеры. Были получены лазеры с длительностью импульса » 1 пс с частотой повторения 7,5 МГц на длинах волн от 1153 до 1170 нм [52, 55]. Режим генерации коротких импульсов был осуществлен с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM. Солитонный режим был достигнут с помощью тщательного управления дисперсией с помощью пары дифракционных решеток, работающих в режиме пропускания и за счет улучшения параметров висмутовых световодов, позволивших уменьшить длину резонатора.
Первый висмутовый волоконный лазер на P-ВАЦ (1.32 мкм) с синхронизацией мод, работающий в режимах аномальной и нормальной дисперсии групповых скоростей, был продемонстрирован в работе [57]. При аномальной внутрирезонаторной дисперсии групповых скоростей, достигающейся за счет использования 13 нм/см линейно-чирпированной волоконной брэгговской решетки, была получена лазерная генерация солитонов с длительностью 2,51 пс в многоимпульсном режиме. С нормальной дисперсией резонатора, был получен солитонный режим работы с более высокой мощностью, превышающей мощность фундаментального солитона, в одноимпульсном режиме.
Лазер с модуляцией добротности на германосиликатном световоде, легированном висмутом, работающий на 1463 нм был продемонстрирован в [58]. Оказалось, что в области низких мощностей накачки (190-260 мВт на длине волны 1310 нм) реализуется генерация в режиме самомодуляции добротности на длине волны 1430 нм. Экспериментально было показано, что стабильные импульсы длительностью (1.8-5) мкс при частоте повторения (40-65) кГц можно получить в резонаторе Фабри-Перо без использования насыщающегося поглотителя. Было установлено, что длительность и частота повторения импульсов зависит от мощности накачки.
Оптические световоды, легированные висмутом, могут служить активной средой для волоконных усилителей в диапазоне длин волн от 1150 до 1775 нм. Как и в случае лазеров, диапазон рабочих длин волн висмутовых волоконных усилителей определяется составом сердцевины световода. ASB световоды (Al-ВАЦ) демонстрируют оптическое усиление в коротковолновом диапазоне от 1150 до 1220 нм, фосфоросиликатные (P-ВАЦ) — в диапазоне 1270-1360 нм, германосиликатные (Si-ВАЦ) — в диапазоне от 1390 до 1520 нм, силикогерманатные (Ge-ВАЦ) — в диапазоне от 1625 до 1775 нм. Разумеется, наилучшие результаты демонстрируют усилители, работающие вблизи максимумов соответствующих полос усиления.
СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом, со средней длиной волны 1,34 мкм
Двухпроходные обратные СВИ превосходят прямые по следующим характеристикам: более высокая выходная мощность при любых длинах активного световода, лучшая стабильность средней длины волны от мощности накачки, более широкий спектр при определенных коэффициентах отражения волоконного зеркала.
Для каждой конструкции существует определенная оптимальная длина ВС, при которой наблюдается максимальная мощность. Для любых длин выходная мощность ДПВ больше выходной мощности ДПП равной длины. У ДПВ лучше стабильность средней длины волны излучения от мощности накачки. ДПВ имеет более широкий спектр излучения при любом коэффициенте отражения, поэтому ДПВ предпочтителен при выборе двухпроходных конструкций. К сожалению, в данной работе авторы не проводили исследования стабильности рассмотренных схем от температуры.
Наряду с простейшими одноступенчатыми схемами, СВИ могут быть созданы по многоступенчатой (многокаскадной) схеме. В этом случае можно повысить КПД СВИ и поднять их выходную мощность. Так же, в многоступенчатой схеме появляется возможность более гибко управлять шириной и формой спектра СВИ.
Температурная стабильность средневзвешенной длины волны излучения СВИ в однопроходной конфигурации со встречной накачкой. Для некоторых типов применений СВИ, например, таких как ВОГ, стабильность длины волны излучения СВИ от температуры является одним из ключевых факторов. Поэтому большое число работ посвящено повышению этой стабильности.
В статье [73] авторы исследуют зависимость средневзвешенной длины волны СВИ на световоде, легированном эрбием, от температуры, длины волны накачки и мощности накачки. В частности, в данной работе был измерен температурный коэффициент, показывающий изменение средневзвешенной длины волны излучения СВИ ( СВИ/ ) в зависимости от длины световода и параметров накачки. С увеличением мощности наблюдалось уменьшение средней длины волны с наклоном между 0 и -93 мд/мВт Температурная стабильность средневзвешенной длины волны излучения СВИ определяется тремя составляющими, указанными в следующей формуле: СВИ = СВИ + СВИ накач + СВИ накач накач накач
Первое слагаемое отвечает за температурную зависимость средневзвешенной длины волны излучения от температуры активной среды и пассивных компонентов, которая в случае СВИ на редкоземельных элементах, обусловлена изменением распределения заселенностей между подуровнями согласно формуле Больцмана. В статье рассматриваются характеристики СВИ в однопроходной конфигурации со встречной накачкой.
Характеристики активного световода: 1600 мд эрбия с добавлением алюминия; радиус сердцевины 2,2 мкм, радиус моды сигнала 4,17 мкм, числовая апертура - 0,2. Для уменьшения отражений до -60 дБ (оценочный уровень) оба конца активного световода были отполированы под углом 15о. Длина световода составляла 2,4 м, немного больше оптимальной для генерации прямого излучения для всех рассмотренных мощностей накачки. Причины: 1) дополнительные потери уменьшают двухпроходное усиление и предотвращают лазерную генерацию; 2) гарантируют поглощение более 99% накачки во всей полосе поглощения от 955 до 995 нм
Рис. 2.8 Зависимость выходной мощности СВИ от мощности накачки на 980 нм (длина - 2,4 м) для однопроходных СВИ со встречной (Backward) и попутной (Forward) накачкой [73].
В качестве накачки использовался титан-сапфировый лазер, вводимый в световод с помощью 18х объектива с коэффициентом ввода 47%. Рабочее расстояние до линзы было достаточно большим для того, чтобы отражения были меньше -50 дБ Пороговая мощность (мощность при которой зависимость выходной мощность от входной приобретает линейный характер) для прямого 70 мВт, для обратного 29 мВт, наклоны 12,2% и 38,9% соответственно.
Средняя длина волны спектра СВИ измерялась оптическим спектральным анализатором, который разделял спектр на 580 дискретных точек. Средняя длина волны рассчитывалась с использованием формулы
Для измерения внутренней температурной стабильности проводились измерения спектров на выходе СВИ при периодическом изменении температуры световода между 25 и 75 C и усреднением измеренного изменения средневзвешенной длины волны. Оказалось, что в рассматриваемой схеме при всех условиях тестирования ширина спектра излучения СВИ оставалась шире 20 нм.
Внутренний температурный коэффициент, измеренный для 50-ти градусного изменения температуры от 25 до 75 оС для различных длин волн и мощностей накачки [73].
Точность измерений оценивается в +-2 мд/C. Типично, внутренний температурный коэффициент составляет +6 мд/C, что примерно в 60 раз меньше такого коэффициента для суперлюминесцентных диодов. В большинстве случаев температурный коэффициент в СВИ на эрбиевых световодах положителен в отличие от типичных коэффициентов СВИ на световодах, легированных неодимом. Это объясняется тем, что в четырехуровневой системе переходов увеличение температуры сдвигает заселенность верхнего подуровня по направлению к более высоким энергетическим уровням. Это приводит к возрастанию излучаемой частоты или уменьшению длины волны. В трехуровневой системе переходов эрбия, как нижний, так и верхний подуровни заселены в зависимости от степени инверсии.
Для определения зависимости средневзвешенной длины волны от мощности накачки производились измерения при различных мощностях и длинах волн накачки. Результат представлен на Рис. 2.10. В большом диапазоне мощностей эти кривые имеют значительный наклон до -93 мд/мВт. Стоит отметить, что при мощности накачки в диапазоне 30-70 мВт и длине волны накачки около 976 нм, кривая зависимости почти плоская. Авторы утверждают, что из этого следует то, что при определенных условиях, может быть достаточным управление питанием накачки в пределах 1 мВт, чтобы сохранять зависимость от мощности накачки ниже 1 мд. Рис. 2.11 Зависимость средней длины волны излучения от длины волны накачки для двух мощностей [73].
Зависимость от длины волны накачки была исследована путем измерения средневзвешенной длины волны при изменении длины волны накачки при постоянном уровне мощности накачки. Это повторялось для двух уровней мощности накачки, результаты измерений показаны на Рис. 2.11. Кривые почти симметричны относительно своего минимума на длине волны 976 нм.
Выше был дан обзор литературы по схемам СВИ и их практической реализации на Er световодах. Далее приводятся оригинальные результаты по СВИ, разработанным и созданным на основе висмутовых ВС различного состава. 2.3. СВИ на германосиликатном световоде, легированном висмутом, со средней длиной волны 1,44 мкм.
Как было показано в первой главе, люминесценцией и усилением в области 1,4 мкм обладают ВАЦ, ассоциируемые с кремнием (Si-ВАЦ). Дополнительное легирование германием сердцевины SB световодов позволяет более эффективно использовать висмутовые активные центры, связанные с кремнием, для получения ИК излучения за счет улучшения оптических характеристик стекла. При этом небольшое количество Ge не влияет на структуру пиков люминесценции, связанных с Si-ВАЦ, и практически не изменяет ее время жизни. Соответственно для изготовления эффективного СВИ в диапазоне длин волн (1400-1500) нм наиболее целесообразно использовать германосиликатные световоды, легированные висмутом.
НЦВО РАН (вытяжка и тестирование световодов) совместно с ИХВВ РАН (изготовление заготовок и их вытяжка) была изготовлена серия GSB световодов с различными концентрациями висмута и германия. Были исследованы оптические свойства световодов: ППП заготовок, спектры поглощения, люминесценции и оптического усиления, уровень просветления на длине волны накачки.
Из серии был выбран ВС, наиболее подходящий для создания СВИ: обладающий наибольшим усилением с максимально высоким уровнем просветления. Основные характеристики световода: длина волны отсечки примерно 0,9 мкм, разница показателей преломления n = 810-3, концентрация Bi менее 0,1 мас.%. Спектры поглощения и усиления световода Bi-119 изображены на Рис. 2.14.
Спектры поглощения активного ВС измерялись методом “облома” (cutback). Суть данного метода заключалась в измерении спектрального пропускания света на длинном отрезке световода, а затем, при неизменной системе ввода света в световод, исследуемый световод укорачивался, и затем измерялось спектральное пропускание короткого отрезка. В качестве источников света в данном случае использовались излучение галогенной лампы. Спектры пропускания измерялись с помощью оптического спектроанализатора Agilent 86140B. Спектр оптических потерь ВС, представленный на Рис. 2.12, рассчитывался по следующей формуле:
Германосиликатные световоды, легированные висмутом
Мощность выходного сигнала СВИ растет линейно с мощностью накачки второго каскада и достигает 48 мВт при накачке 300 мВт (Рис. 2.31). Средневзвешенная длина волны составляет 1336 нм, ширина спектра FWHM 26 нм (Рис. 2.32). При малых мощностях накачки второго каскада в большей части световода инверсная населенность не достигается и излучение первого каскада частично поглощается активными центрами, в результате чего в спектре на выходе остается длинноволновая часть излучения, т. е. пик излучения смещен вправо относительно входного сигнала. Излучение висмутовых активных центров второго каскада при этом заметно меньше, чем проходящее излучение первого каскада. С увеличением мощности накачки инверсная населенность достигается вдоль всего световода, и спектр выходного сигнала смещается влево в область максимума усиления висмута. Средневзвешенная длина волны
В данной части работы была впервые продемонстрирована работа СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном ионами висмута (P-ВАЦ). Средневзвешенная длина волны выходного излучения составляет 1336 нм, ширина спектра на полувысоте – 26 нм при максимальной мощности. Выходная мощность равна 48 мВт при суммарной мощности накачки 600 мВт. Форма спектра близка к гауссовой (аппроксимация спектра функцией Гаусса при мощности накачки 320 мВт представлена на Рис. 2.30). Продемонстрирован СВИ, работающий в области второго окна прозрачности (1.3 мкм) оптических волоконных световодов на основе кварцевого стекла, эффективность которого сопоставима с эффективностью широко используемых СВИ на редкоземельных элементах. Следует отметить, что это лишь одна из возможных реализаций СВИ на висмутовом фосфоросиликатном световоде; схему можно оптимизировать в соответствии с требованиями к характеристикам выходного сигнала.
В результате проделанной работы проведен анализ схем СВИ, предложенных в литературе с точки зрения температурной стабильности, ширины спектра излучения и выходной мощности, были собраны и протестированы СВИ. В процессе исследований проведена оптимизация длины активных световодов с точки зрения ширины спектра и выходной мощности. Исследовано влияние температуры на характеристики СВИ, ширину спектра излучения и выходную мощность. Исследован СВИ на GSB световоде со средневзвешенной длиной волны выходного излучения 1441 нм и шириной спектра на полувысоте - 25 нм. СВИ обладает довольно высоким КПД в 31%, выходная мощность составляет 82 мВт при накачке 260 мВт. Данные характеристики сравнимы с эффективностью широко распространенных Er СВИ, но с излучением в новом спектральном диапазоне. Температурная стабильность средневзвешенной длины волны – 0,27 % во всем температурном диапазоне. Спектр излучения имеет форму близкую к гауссовой функции. СВИ на висмутовом световоде не лишен недостатков, основным из которых является необходимость использования световода большой длины (200м) из-за низкого коэффициента усиления на единицу длины.
Также продемонстрирована работа СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном ионами висмута. Средневзвешенная длина волны выходного излучения СВИ составляет 1336 нм, ширина спектра на полувысоте – 26 нм при максимальной мощности. Выходная мощность равна 48 мВт при суммарной мощности накачки 600 мВт. Форма спектра близка к гауссовой. Следует отметить, что это лишь одни из возможных реализаций СВИ на висмутовых световодах; схему можно оптимизировать в соответствии с требованиями к характеристикам выходного сигнала. Длины волн накачки и генерации висмутовых лазеров [75]. Если КПД висмутовых лазеров при комнатной температуре на германосиликатных световодах в настоящее время составляет до 60% и более, КПД лазеров и усилителей на фосфоросиликатных световодах достигает более 35%, то для алюмосиликатных световодов удаётся достичь КПД не более 20%.
Кроме того, если построить зависимости эффективности лазеров от температуры (Рис. 3.2), то графики для различных составов будут демонстрировать существенно отличный наклон. Эффективность лазеров на германосиликатных световодах практически не зависит от температуры, при этом эффективность лазеров на алюмосиликатных световодах заметно увеличивается при низких температурах. Ge02 -Si02 (Xas=1460 nm; X =1340 nm) 1"9% Ш
Одной из возможных причин таких различий в эффективности и влиянии температуры может быть поглощение из возбужденного состояния (ПВС). На наличие ПВС также указывает тот факт, что в высококонцентрированных висмутовых алюмосиликатных световодах при измерении просветления наблюдается рост потерь при увеличении инверсии населенностей.
Ввиду того, что висмут стал рассматриваться в качестве возможного активного элемента волоконных световодов относительно недавно, активные ВС, демонстрирующие усиление были изготовлены всего в четырех научных центрах. Измерением ПВС в таких ВС занимались всего две группы, поэтому до настоящего исследования в литературе можно было найти всего три работы по этой теме. Все эти работы посвящены исследованию ПВС в алюмосиликатных световодах. Ниже приводятся основные результаты работ по ПВС в висмуте, опубликованных ранее.
ПВС в алюмосиликатных световодах, легированных ионами висмута, в диапазоне длин волн 900 – 1250 нм было измерено в работе [76]. Целью этой работы было изучение возможности прямой диодной накачки висмутовых лазеров на длинах волн 915 и 975 нм.
При помощи установки, показанной на Рис. 3.3, было измерено ПВС при накачках в 800 и 1047 нм. (При накачке на 1047 нм дихроматическое зеркало было заменено на волоконный разветвитель). Результаты были представлены в виде изменения пропускания (Рис. 3.4). Спектры поглощения из основного состояния были получены методом «cut-back». Из рисунка четко видно, что при накачке на 1047 нм on/off усиление наблюдается в диапазоне 1000-1260 нм, а нетто усиление примерно в диапазоне 1100-1220 нм. В области короче 1000нм наблюдается увеличение поглощения в световоде, что обусловлено эффектом ПВС. Для накачки на 800 нм увеличение потерь наблюдается во всем измеренном диапазоне спектра.
