Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Мощные волоконные лазеры в спектральном диапазоне 1.55 МКМ (обзор литературы) 20
1.1. Оптические свойства ионов эрбия в кварцевом стекле. 20
1.2.Оптические потери в эрбиевых световодах 22
1.2.1 Потери не связанные с присутствием эрбиевых ионов в сетке стекла 22
1.2.2 Поглощение из возбужденного состояния 24
1.2.3 Кооперативная апконверсия 26
1.2.4 Влияние состава стекла на свойства эрбиевых световодов 28
1.3. Непрерывные мощные эрбиевые волоконные лазеры 30
1.3.1 Эрбиевые и эрбий-иттербиевые волоконные лазеры с накачкой по оболочке на 915/980 нм 31
1.3.2 Эрбиевые волоконные лазеры с накачкой по оболочке на 1532 нм 34
1.3.3 Эрбиевые волоконные лазеры с накачкой по сердцевине на 980 нм 36
1.3.4 Эрбиевые волоконные лазеры с накачкой по сердцевине на 1480 нм 37
1.4 Мощные импульсные эрбиевые волоконные лазеры 40
1.4.1 Эрбиевые волоконные лазеры
ультракоротких импульсов высокой пиковой мощности 40
1.4.2 Эрбиевые волоконные наносекундные лазеры 42
1.5. Выводы 44
ГЛАВА 2. Оптимизация конструкции эрбиевых световодов с двойной оболочкой для создания мощных непрерывных лазеров 46
2.1. Определение доли кластеризованных ионов эрбия в различных стеклянных матрицах 47
2.2. Оптимизация параметров эрбиевых световодов с двойной оболочкой для мощных непрерывных лазеров 51
2.2.1 Оптимизация концентрации эрбия 51
2.2.2 Оптимизация длины волны 55
2.2.3 Оптимизация параметров сердцевины 57
2.2.4 Дальнейшая оптимизация параметров световода 59
2.3. Изготовление и исследование эрбиевого световода с оптимальными параметрами 61
2.4. Волоконные эрбиевые лазеры с высокой выходной мощностью 65
2.5. Заключение 68
ГЛАВА 3. Волоконные усилители ультракоротких импульсов на основе эрбиевых световодов с двойной оболочкой 70
3.1. Оптимизация параметров эрбиевого световода с накачкой по оболочке для усиления до высокой пиковой мощности 71
3.2. Сравнение различных схем накачки для усиления ультракоротких импульсов в области 1.55 мкм 73
3.3. Свойства высоколегированного эрбиевого световода в схемах с накачкой по оболочке 77
3.4. Усилители чирпированных импульсов 82
3.5. Полностью волоконный усилитель фемтосекундных импульсов 85
3.6. Волоконные лазеры в области 1600-1800 нм 87
3.6.1 Генерация импульсов суб-100 фс длительности в области 1700 нм 89
3.6.2 Полностью волоконный лазер в области 1600-1800 нм для создания эндоскопов 94
3.7. Выводы 98
ГЛАВА 4. Мощные наносекундные эрбиевые усилители 99
4.1. Наносекундные лазеры высокой энергии в импульсе 99
4.1.1 . Измерение энергии в импульсе 99
4.1.2. Экспериментальные результаты 102
4.2. Наносекундные узкополосные лазеры
высокой пиковой мощности 106
4.2.1 Исследование нестабильностей
импульсов вызванных ВРМБ 106
4.2.2 Усилитель рекордной пиковой мощности 111
4.2.3 Усилитель с накачкой навстречу 112
4.3 Выводы 114
Заключение 116
Список использованной литературы
- Непрерывные мощные эрбиевые волоконные лазеры
- Оптимизация параметров эрбиевых световодов с двойной оболочкой для мощных непрерывных лазеров
- Сравнение различных схем накачки для усиления ультракоротких импульсов в области 1.55 мкм
- . Измерение энергии в импульсе
Введение к работе
Актуальность
Первый волоконный лазер на неодимовом стекле был реализован еще в
1961 г. [1], однако бурное развитие лазеров и усилителей на основе
волоконных световодов началось с создания в 1987 г. эрбиевых волоконных
усилителей [2]. Интерес к таким усилителям возник в первую очередь потому,
что их область работы 1.53–1.6 мкм совпадает с диапазоном длин волн, в
котором работают волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Использование
эрбиевых усилителей в ВОЛС позволило осуществить усиление оптического
сигнала без использования дорогостоящих электронных ретрансляторов и
создать полностью волоконные линии передачи информации. Одновременно,
помимо эрбиевых, стали активно разрабатываться волоконные лазеры и
усилители на основе световодов, легированных ионами других
редкоземельных элементов (РЗЭ): неодима, иттербия, тулия и гольмия.
Успехи в области создания полупроводниковых диодов накачки, генерирующих излучение высокой яркости, а также внутриволоконных брэгговских решеток показателя преломления определили дальнейшее развитие волоконной оптики. Благодаря использованию диодов накачки удалось существенно повысить выходную мощность волоконных лазеров, а внутриволоконные брэгговские решетки сделали возможным создание компактных, полностью волоконных (не содержащих объемных элементов) лазерных схем.
Одним из главных преимуществ волоконных лазеров и усилителей по сравнению с другими типами лазеров является высокое, ограниченное лишь дифракцией, качество пучка излучения (в случае использования одномодовых волоконных световодов). Помимо этого, большое значение отношения площади поверхности световода к его объему ускоряет теплопередачу от активной среды, позволяя создавать лазеры высокой средней мощности без
принудительного охлаждения, что практически невозможно в твердотельных лазерах аналогичной мощности. Другими преимуществами волоконных лазеров являются высокий кпд их работы, устойчивость к механическим воздействиям, компактность, малый вес и т.д.
Рекордные средние (10 кВт [3]) и пиковые (>20 ГВт [4]) мощности одномодовых волоконных лазеров были достигнуты благодаря использованию световодов, легированных оксидом иттербия, с накачкой по оболочке. Длина волны излучения таких лазеров лежит в области 1 мкм. Относительно высокое сечение поглощения излучения накачки ионов иттербия, возможность ввести до нескольких весовых процентов оксида иттербия без заметного проявления нежелательных эффектов, связанных с кластеризацией этих ионов, и низкий квантовый дефект процесса генерации при накачке полупроводниковыми диодами, работающими в области 915–980 нм, обуславливают возможность получения высоких выходных мощностей и высокую эффективность преобразования накачки в сигнал (70–85 %) таких лазеров.
Важно отметить, что излучение ближнего инфракрасного (ИК)
диапазона с длинами волн до ~1.4 мкм хотя и является невидимым для
человеческого глаза, однако все еще может быть сфокусировано хрусталиком
на сетчатку. Таким образом, использование иттербиевых лазеров
нежелательно для приложений, в которых используется распространение
излучения через свободную атмосферу. Даже рассеянное излучение низкой
интенсивности может быть опасным для глаз находящихся рядом людей,
например, при удаленном зондировании атмосферы, использовании лидаров, в
атмосферных линиях связи, хирургических операциях и др. Следует
отметить, что длина волны излучения эрбиевых волоконных лазеров около 1.5 мкм лишена этого недостатка, и мощные волоконные эрбиевые лазеры находят свое применение в таких приложениях [5–7]. Кроме того, существует целый ряд других применений, где требуется излучение высокой средней
и/или пиковой мощности в области 1.55 мкм: накачка других типов лазеров (висмутовых [8], тулиевых [9]), научное приборостроение [10, 11], применение в биомедицине [12] и прочее. Однако создание мощных эрбиевых лазеров существенно затруднено низким сечением поглощения накачки и кооперативной апконверсией ионов эрбия, вызванной их кластеризацией. Как следствие, на сегодняшний день волоконные лазеры в области 1.55 мкм значительно уступают по эффективности, средней и пиковой мощности, по стоимости и простоте иттербиевым волоконным лазерам.
Актуальность текущей работы определяется необходимостью совершенствования конструкции мощных волоконных лазеров, генерирующих излучение в области 1.55 мкм для улучшения их выходных характеристик.
Основные цели диссертационной работы
Исследование влияния параметров эрбиевого световода с двойной отражающей оболочкой на его активные свойства и создание световодов с оптимизированными параметрами.
Разработка и исследование высокоэффективных непрерывных лазеров на основе эрбиевых световодов с накачкой по оболочке на 980 нм.
Создание и исследование лазеров ультракоротких импульсов высокой пиковой мощности в области 1.55 мкм, а также исследование нелинейного преобразования таких импульсов в длинноволновый диапазон.
Создание и исследование эрбиевых усилителей наносекундных импульсов (в том числе узкополосных) с высокой энергией в импульсе.
Научная новизна диссертационной работы
> Проведено теоретическое и экспериментальное исследование зависимости
эффективности волоконного усилителя от параметров эрбиевого световода с
двойной оболочкой.
Проведено исследование усиления 100-наносекундных импульсов в эрбиевых световодах с двойной оболочкой. Установлено, что основным фактором, ограничивающим энергию в импульсе, является появление усиленной спонтанной люминесценции. Показано, что максимально достижимая энергия не зависит от частоты повторения импульсов в широком диапазоне частот (как минимум, для диапазона 1-10 кГц).
Впервые исследованы особенности усиления узкополосных импульсов в эрбиевых световодах с двойной отражающей оболочкой (спектральная ширина около 1 МГц) и показано, что в этом случае максимально достижимая пиковая мощность ограничена эффектом генерации множественных стоксов ВРМБ и появляющейся вследствие этого нестабильностью формы усиливаемых импульсов. Данный эффект впервые детально исследован для случая целиком волоконных эрбиевых усилителей с накачкой по оболочке.
Практическая значимость диссертационной работы
Реализованы непрерывные эрбиевые одномодовые лазеры с выходной мощностью до 100 Вт и эффективностью преобразования накачки на длине волны 980 нм в сигнал до 40 %.
Исследовано усиление ультракоротких импульсов в эрбиевых световодах с двойной оболочкой и большой площадью поля моды, продемонстрированы рекордно высокие пиковые мощности среди эрбиевых волоконных лазерных схем с накачкой по оболочке, как для целиком волоконного дизайна, так и для усилителя чирпированных импульсов с последующим сжатием усиленных импульсов при помощи дифракционных решеток. Впервые продемонстрирована возможность генерации фемтосекундных импульсов с энергией до 9 нДж в области 1700 нм за счет эффекта рамановского самосдвига частоты в полностью волоконной лазерной схеме.
> Разработаны и реализованы одномодовые волоконные эрбиевые лазеры с
рекордной энергией до 1 мДж в 100 наносекундном импульсе (пиковая
мощность 12 кВт) в области 1.55 мкм. Кроме того, впервые в мире
достигнута пиковая мощность для узкополосных эрбиевых волоконных
усилителей 100-наносекундных импульсов: 4 кВт.
Защищаемые положения:
Разработанный и реализованный эрбиевый световод с оптимизированными параметрами (диаметр сердцевины и оболочки 35/125 мкм, концентрация эрбия ~0.017мол. %, алюмосиликатная сердцевина, солегированная фтором) позволил достигнуть уровня средней мощности 100 Вт и рекордно высокого кпд (20%) преобразования электрической энергии в оптическую в области 1.55 мкм.
Оптимизация параметров эрбиевого световода (диаметр сердцевины и оболочки 35/125 мкм, концентрация эрбия 0.1 мол. %, фосфороалюмосиликатная сердцевина) в схеме с накачкой по оболочке позволила обеспечить большую эффективность преобразования накачки в сигнал и существенно более простую и надежную схему усилителя при практически таком же пороге нелинейных эффектов, как и в схемах с накачкой по сердцевине.
Возможна реализация полностью волоконных лазеров, работающих в спектральной области 1600-1800 нм с длительностью импульсов менее 80 фс и энергией в импульсе до 9 нДж за счет рамановского сдвига излучения эрбиевого волоконного лазера ультракоротких импульсов.
> Максимальная энергия 1 мДж для 100-нс импульсов, достигнутая в
эрбиевом лазере с накачкой по оболочке, ограничена усиленной спонтанной
люминесценцией и не зависит от частоты повторения импульсов (как
минимум в диапазоне 1-10 кГц).
> Пиковая мощность 100-нс узкополосных импульсов, усиливаемых в эрбиевом световоде с накачкой по оболочке, ограничена нестабильностями, обусловленными вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Разработка световода с оптимизированными параметрами (диаметр сердцевины и оболочки 35/125 мкм, концентрация эрбия 0.1 мол. %, фосфороалюмосиликатная сердцевина) в схеме с накачкой по оболочке позволила увеличить пиковую мощность до 4 кВт. За счет использования этого же световода в схеме со встречной накачкой достигнут кпд преобразования электрической энергии в оптическую, равный 8%, при кВт уровне пиковой мощности.
Апробация работы
Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 8 статьях, входящих в Перечень ВАК, и доложены в одиннадцати докладах на международных конференциях: CLEO 2012, 2014, CLEO\Europe 2013, 2015; ICONO\LAT 2013, SPIE Photonics West 2014, 2015, SPIE Security and Defense 2014, OSA Advanced Photonics 2014 и в 5 докладах на всероссийских конференциях: Всероссийская конференция по волоконной оптике 2011, 2013, 2015, Российский семинар по волоконным лазерам 2012, а также на семинарах НЦВО РАН.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 71 наименование.
Непрерывные мощные эрбиевые волоконные лазеры
Из всех полос поглощения ионов эрбия в кварцевом стекле для накачки лазеров в подавляющем большинстве случаев используется полоса поглощения на 980 нм и коротковолновый край полосы с максимумом поглощения в районе 1530 нм. Данный факт прежде всего связан с наличием эффективных источников накачки на данных длинах волн. Также дальнейшее уменьшение длины волны накачки, например, при использовании диодов в области 800 нм, приводит к снижению эффективности работы световода и увеличению его нагрева в силу увеличивающегося квантового дефекта.
Существуют два основных способа накачки активных волоконных световодов. В первом излучение накачки и излучение сигнала распространяются по сердцевине. А во втором излучение накачки распространяется по оболочке световода и поглощается активной сердцевиной, ведущей сигнал. В последнем случае покрытие световода обладает показателем преломления меньшим показателя преломления плавленого кварца для создания волноводного эффекта для излучения накачки. Преимуществом первого способа является существенно больший коэффициент поглощения накачки (примерно в Aоб/Ас раз, где Aоб(с)-площадь сечения оболочки (сердцевины)) и, как следствие, меньшая длина активного световода. В то же время накачка по оболочке позволяет использовать источники накачки с существенно меньшей яркостью и существенно большей средней мощностью. Ниже проведено сравнение различных лазерных схем с точки зрения их кпд и максимальной достигнутой мощности, а также приведены преимущества и недостатки каждой схемы.
К настоящему моменту разработаны и широко используются многомодовые пигтелированые диодные источники в области 915/980 нм для накачки иттербиевых световодов. Кпд таких диодов превышает 50 % [32] (под кпд здесь и далее понимается дифференциальная эффективность преобразования электрической энергии в оптическую). Доступная мощность коммерчески доступных диодов пигтелированых стандартным многомодовым световодом с диаметром сердцевины 105 мкм составляет 60 Вт, более того, в ближайшее время станут доступны и диоды мощностью до 100 Вт, которые находятся на стадии тестирования [32]. При этом мощность накачки, введенная в оболочку световода, может быть увеличена за счет использования волоконных объединителей. Так, на сегодняшний день существуют коммерчески доступные объединители, позволяющие вводить излучение от 7 диодов накачки с диаметром сердцевины 105 мкм в оболочку активного световода стандартного диаметра 125 мкм. Использование аналогичных объединителей также необходимо для создания полностью волоконной лазерной схемы усилителя. Таким образом, до 420 Вт накачки может быть получено в данной конфигурации (с перспективой роста в ближайшем будущем до 700 Вт). При этом еще большее увеличение вводимой мощности может быть достигнуто за счет использования световодов большего диаметра. На сегодняшний день доступны многомодовые лазерные диоды с диаметром световода 200 мкм выходной мощностью до 500 Вт [33]. Многомодовые диодные лазеры могут быть использованы для накачки эрбий-иттербиевых и эрбиевых световодов по оболочке.
Наиболее распространенным типом мощных непрерывных волоконных лазеров в области 1.55 мкм являются лазеры на основе световодов, сердцевина которых легирована одновременно эрбием и иттербием, и накачкой по оболочке в полосу поглощения иттербия на 915 или 976 нм. Сечение поглощения накачки ионов иттербия примерно в 10 раз выше, чем у эрбия, в то же время до 10 раз большая концентрация иттербия может быть введена в сердцевину активного световода без ухудшения эффективности его работы. Таким образом, при использовании эрбий-иттербиевых световодов практически все излучение накачки поглощается ионами иттербия и затем передается ионам эрбия, на уровнях которого и происходит генерация. Использование эрбий-иттербиевых световодов позволяет существенно увеличить поглощение накачки и снизить длину активного световода.
Данный подход позволил получить в одномодовом режиме выходную мощность 150 Вт с эффективностью преобразования накачки на 915 нм в сигнал 35 % [34]. Таким образом, учитывая кпд источника накачки, полный кпд лазера составил 17.5 %. В то же время данный тип лазеров обладает существенным недостатком - паразитной генерацией ионов иттербия в области 1 мкм, которая приводит к снижению эффективности при большой мощности накачки. Так, в работе [34] при выходной мощности более 100 Вт дифференциальная эффективность работы световода снизилась до 29 %. Также при максимальной выходной мощности мощность паразитного излучения в области 1 мкм составила 70 Вт, что затрудняет использование таких лазеров в применениях требующих излучения безопасного для глаз. Помимо этого, используемая в данной работе схема была сделана на основе объемных элементов, в частности дихроичных зеркал, необходимых для подавления паразитной генерации и ввода накачки. Использование такой схемы снижает стабильность лазера, увеличивает его размер и затрудняет работу с ним. В простых, полностью волоконных схемах на основе стандартных световодов генерация ионов иттербия начинается при выходной мощности 10 Вт [35-37] и, как правило, эрбий-иттербиевые лазеры большей мощности на практике не используются.
Оптимизация параметров эрбиевых световодов с двойной оболочкой для мощных непрерывных лазеров
На рисунке 2.2 приведены рассчитанные из экспериментальных данных зависимости величины k от концентрации эрбия для случаев алюмосиликатной матрицы с низкой и высокой концентрации алюминия, а также для фосфороалюмосиликатной матрицы с небольшим избытком фосфора или алюминия (концентрации оксидов алюминия и фосфора 5-7 мол. %). Полученные значения далее использовались для моделирования световодов с накачкой по оболочке. Стоит отметить тот факт, что на данном рисунке отсутствуют данные по значениям параметра k при низких концентрациях эрбия, что связано с отсутствием экспериментальных данных по эффективности в схеме с накачкой по сердцевине в этой области концентраций. Для расчетов световодов с накачкой по оболочке, графики были экстраполированы до точки (0,0). Такая экстраполяция имеет смысл в силу того, что при уменьшении концентрации эрбия в процессе изготовления световодов отдельные ионы будут находиться на все большем расстоянии друг от друга, соответственно вероятность создания кластера будет уменьшаться. Однако точная форма линии, описывающая параметр k в зависимости от концентрации, может отличаться от используемой экстраполяции, поэтому данные, полученные далее при низких концентрациях, имеют в определенном смысле оценочный характер.
Оптимизация параметров эрбиевых световодов с двойной оболочкой для мощных непрерывных лазеров Полученные зависимости числа кластеров от концентрации эрбия были использованы для моделирования эрбиевых световодов с накачкой по оболочке на 980 нм и оптимизации их конструкции с целью увеличения эффективности их работы. Для определения эффективности работы световодов с двойной оболочкой моделировалась их работа в схеме с накачкой по оболочке, сонаправленной излучению сигнала. При этом входная мощность накачки выбиралась такой, чтобы значительно превысить пороговое значение, а мощность сигнала такой, чтобы усилитель находился в режиме насыщения. Далее определялась длина световода обеспечивающая максимальную величину выходного сигнала. При оптимальной длине световода определялась зависимость выходной мощности сигнала от мощности накачки, наклон которой соответствовал дифференциальной эффективности. При расчетах рассматривались световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. Интеграл перекрытия сигнала определялся из распределения основной моды, как было описано выше. Интеграл перекрытия накачки был установлен равным отношению площади сердцевины к площади оболочки. Величина серых потерь для накачки и сигнала была установлена 30 дБ/км, что соответствует потерям в реальных световодах с двойной оболочкой, которые могут быть изготовлены методом MCVD.
Известно, что при значительном увеличении концентрации эрбия его активные свойства заметно ухудшаются из-за роста величины непросветляемых потерь, вызванных кластеризацией ионов эрбия. В случае использования очень маленьких концентраций эрбия, влияние кооперативных эффектов будет пренебрежимо малым, но необходимая длина активного световода вырастет настолько, что значительным окажется влияние серых потерь (т.е. потерь слабо зависящих от длины волны) накачки и сигнала. Таким образом, для каждой конфигурации световода существует оптимальная концентрация ионов эрбия, при которой минимизируется суммарное влияние серых потерь и концентрационных эффектов.
Стоит отметить, что у коммерчески-доступных стандартных алюмосиликатных одномодовых световодов с высокой ( 3 мол. %) и низкой ( 1.5 мол. %) концентрацией алюминия диаметр сердцевины не превышает 10 мкм (обычно 6-8 мкм) и 20 мкм соответственно. Такая разница связана с ростом показателя преломления при увеличении концентрации алюминия. При этом стоит отметить, что хотя длина волны отсечки высших мод световодов с низкой концентрацией алюминия и диаметром сердцевины 20 мкм составляет 1.7-1.9 мкм, на практике одномодовый режим работы легко достигается путем изгиба световода. В то же время для световодов с высокой концентрацией алюминия чувствительность высших мод к изгибу значительно меньше, и, как следствие, длина волны отсечки таких световодов не должна существенно превышать рабочую длину волны. Наименьший диаметр первой оболочки у стандартных световодов составляет 125 мкм, что обусловлено требованием их совместимости со стандартными объединителями накачки и сигнала (диаметр выходного световода 125 мкм, апертура по второй оболочке 0.45).
На рисунке 2.3 приведена рассчитанная зависимость дифференциальной эффективности относительно введенной мощности накачки от концентрации ионов эрбия. При этом кривыми 1 и 2 показаны случаи с высокой и низкой концентрацией алюминия с диаметрами сердцевины/оболочки 10/125 и 20/125 соответственно при работе на длине волны 1550 нм. Видно, что для обоих случаев концентрация эрбия, обеспечивающая максимальную эффективность, лежит в области 71024 м-3. При этом максимальная эффективность составляет 6 % и 16 % для случая с высокой и низкой концентрацией алюминия. Стоит отметить, что хотя доля кластеров при одинаковой концентрации эрбия в световодах с высокой концентрацией алюминия меньше, чем в световодах слаболегированных алюминием, большая эффективность получилась именно во вторых. Данный факт связан с тем, при накачке по оболочке оптимальная длина активного световода (обеспечивающая максимальную выходную мощность) уменьшается с увеличением диаметра сердцевины. Таким образом, негативное влияние непросветляемых потерь вследствие кластеризации, а также серых потерь на эффективность уменьшается.
Сравнение различных схем накачки для усиления ультракоротких импульсов в области 1.55 мкм
Временной профиль мощности, восстановленный с помощью FROG и нормированный на энергию в импульсе, изображен на Рисунке 3.13 в. Стоит отметить, что центральная длина волны сместилась с 1560 нм до 1620 нм из-за эффекта Рамановского самосдвига частоты. Более подробно этот эффект будет рассмотрен в следующем параграфе. Энергия, содержащаяся в основном импульсе, составила 12 нДж, длительность импульсов – 100 фс, пиковая мощность – 100 кВт. Стоит отметить, что данное значение близко к рекордному значению пиковой мощности полностью волоконных лазеров УКИ в области 1550 нм, которое составляет 127 кВт [50] и получено при помощи усилителя с накачкой по сердцевине на 1480 нм световода с сердцевиной 40 мкм. Как и в предыдущем параграфе, несомненным достоинством предложенной в данной работе лазерной схемы является ее простота.
Существует ряд применений лазеров УКИ в биологии и медицине. Сюда относятся микроскопия, хирургия, диагностика и др. При этом оптимальной длиной волны для ряда таких применений является спектральная область 1.7 мкм. Данный факт вызван наибольшей глубиной проникновения такого излучения во многие живые ткани по сравнению с другими длинами волн ближнего ИК диапазона. Так на рисунке 3.14 изображен спектр затухания лазерного излучения в тканях мозга мыши, приведенный в работе [12]. Видно, что наименьшим затуханием обладает излучение, попадающее в спектральный диапазон 1600-1800 нм. Также использование такого излучения позволяет существенно улучшить разрешающую способность многофотонной микроскопии по сравнению со стандартным подходом, заключающимся в использовании титан сапифрового лазера на 800 нм [12]. Данный факт является результатом перехода от двух- к трех-фотонной микроскопии. Требуемая пиковая мощность для целей микроскопии составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кВт. Также для ряда биомедицинских исследований важной является возможность создания эндоскопа, для этого выход лазера должен представлять собой волоконный световод без каких-либо объемных компонентов (зеркала, дифракционные решетки и тд.).
Стоит отметить, что длина волны 1700 нм находится между зонами излучения эрбиевых и тулиевых волоконных лазеров и не перекрывается ими. Единственным существующим типом волоконных лазеров, способным генерировать излучение непосредственно в области 1700 нм, являются недавно продемонстрированные волоконные лазеры на основе световодов легированных висмутом [8]. Однако, требуемая для создания лазера длина висмутовых световодов, составляет несколько десятков метров в силу низкой допустимой концентрации висмута. Также для работы в данном спектральном диапазоне сердцевина должна быть легирована большим количеством германия, что приводит к ее малому диаметру для сохранения одномодового режима работы. Таким образом, по-видимому, на сегодняшний день висмутовые волоконные световоды не подходят для создания импульсных лазеров с требуемой пиковой мощностью в силу высокой нелинейности.
Другим подходом к созданию лазеров в данной области является сдвиг длины волны волоконного эрбиевого лазера за счет нелинейных эффектов. Так еще в 1985 году было показано, что лазерный импульс относительно высокой пиковой мощности, распространющийся по световоду с аномальной дисперсией может быть нелинейно сжат, сформировать солитон, а затем сдвинут в длинноволновую область за счет ВКР. Данный эффект называется рамановский самосдвиг частоты солитона [67]. Недавно энергия 67 нДж в 65 фс имульсе на 1675 нм была достигнута благодаря использованию лазера чирпированых импульсов и пассивного световода - стержня для осуществления сдвига частоты. В то же время данная схема требует использования большого количества объемных компонентов (решеточный компрессор, фильтры, линзы, для ввода излучения) и световода - стержня, что усложняет настройку системы и лишает многих преимуществ полностью волоконных систем. Также данная схема ограничивает возможность создания волоконного эндоскопа. Попытки создать полностью волоконные схемы приводили к низкой энергии в импульсе ( 0.3 нДж) [68, 69].
Генерация импульсов суб-100 фс длительности в области 1700 нм Для инициации Рамановского сдвига частоты в световоде должен быть сформирован солитон. Пиковая мощность солитона пропорциональна диаметру поля моды и дисперсии световода. В случае ступенчатых световодов увеличение диаметра сердцевины должно сопровождаться снижением показателя преломления сердцевины для сохранения одномодового режима. Снижение ПП сердцевины в свою очередь приводит к снижению отрицательной волноводной дисперсии и, таким образом, к увеличению значения полной хроматической дисперсии. Таким образом, чем больше диаметр сердцевины одномодового световода со ступенчатым профилем, тем больше энергия солитона.
На рисунке 3.15 приведена используемая схема лазера. В качестве источника импульсов использовался волоконный эрбиевый лазер с синхронизацией мод. Данный лазер генерировал последовательность импульсов длительностью 1 пс, средней мощностью 1 мВт, и частотой повторения 47 МГц на 1555 нм. Спектр данного лазера представлен на Рисунке 3.16 красной кривой. Ширина спектра составляла 6 нм. Далее импульсы были предусилены до средней мощности 10 мВт и введены в отрезок фосфороалюмосиликатного световода, описанного выше, длиной 5.5 метров с помощью стандартного объединителя накачки и сигнала. Стоит отметить, что в данной схеме используются световоды не поддерживающие поляризацию, однако в волоконных компонентах, на изгибах световода, а также вследствие тепловых эффектов может наводиться двулучепреломление. В этом случае разные поляризации УКИ начинают распространяться в световоде с различной групповой скоростью. Таким образом, вместо одного появляются два импульса распространяющихся с задержкой друг относительно друга. Для того, чтобы избежать данного явления между задающим лазером и предусилителем, а также между предусилителем и финальным каскадом были установлены контроллеры поляризации.
. Измерение энергии в импульсе
Спектр на выходе из усилителя и спектр излучения, распространяющегося в обратном направлении при энергии в импульсе 270 мкДж приведен на рисунках 4.11 а и б соответственно. Из рисунка 4.11 а видно, что отношение интенсивности сигнала к интенсивности люминесценции составило 33 дБ. Вставка на рисунке 4.11 а, показывает отсутствие стоксовых компонент на выходе из усилителя. Хотя мощность, распространяющаяся назад для 1 метра активного световода около порога ВРМБ выше, чем для 3 метров, интенсивность сигнала ВРМБ не сильно превосходит интенсивность рэлеевского рассеяния (рисунок 4.11 б). При этом время большая часть мощности распространяющейся назад содержится в усиленной спонтанной люминесценции в области 1.53 мкм.
Стоит отметить, что как с точки зрения эффективности, так и с точки зрения порога нелинейных эффектов в активном световоде схема усилителя с однонаправленными сигналом и накачкой проигрывают схемами с накачкой навстречу. В то же время при использовании целиком волоконных лазерных схем накачка навстречу требует добавления объединителя накачки и сигнала на выход усилителя, что существенно увеличивает эффективную нелинейную длину и приводит к резкому снижению порога нелинейных эффектов. Как следствие целиком волоконные схемы с накачкой навстречу как правило не используются, когда требуется достичь максимальной пиковой мощности в импульсе.
Особенностью эффекта ВРМБ является очень узкий спектр усиления, максимум которого может смещаться по частоте при изменении состава сердцевины световода. Это приводит к тому, что спектр ВРМБ световодов разного состава может не перекрываться, тогда сварка таких световодов друг с другом не будет приводить к увеличению эффективной нелинейной длины – порог нелинейных эффектов в этом случае будет определяться порогом в световоде с наибольшей нелинейностью. Данное свойство открывает возможность для использования преимуществ схем с накачкой навстречу в случае усиления узкополосных импульсов без существенного увеличения порога нелинейных эффектов.
С целью проверки данного утверждения используемая схема лазера была изменена следующим образом. Выход ответвителя был напрямую приварен к активному световоду. Другой конец эрбиевого световода был сварен с выходным портом объединителя накачки и сигнала, а его входной сигнальный порт был сколот под углом и использовался как выход усилителя. Суммарная длина сигнальных портов объединителя составила 0.5 м. Потери на сварку эрбиевого световода с объединителем составили 0.7 дБ. Длина активного световода составила 6 метров. При этом было получено 900 Вт пиковой мощности до появления импульсной нестабильности. Уменьшение длины активного световода не привело к увеличению порога ВРМБ в этом случае, что свидетельствует о том, что сигнал ВРМБ генерируется в портах объединителя, а не эрбиевом световоде. То, что полученная максимальная пиковая мощность приблизительно совпадает с пиковой мощностью, полученной на отрезке световода вдвое меньшей длины в схеме с сонаправленной накачкой объясняется различным распределением усиления по длине световода. В схеме с сонаправленной накачкой сигнал быстро растет в относительно коротком начальном участке усилителя и затем медленно усиливается в оставшейся части. Такое распределение приводит к большей накапливаемой нелинейности по сравнению со схемой с противоположными направлениями накачки и сигнала, где наибольшее усиление у выхода усилителя. Также в случае противоположно направленной накачки сгенерированный стоксов сигнал распространяется назад по слабопрокачанной части световода, что также подавляет развитие нестабильностей. Кроме того существенным преимуществом использования накачки навстречу и большей длины световода является увеличение эффективности преобразования накачки в сигнал. В данном случае была получена дифференциальная эффективность 17 %, что соответствует 8.5 % дифференциальной эффективности преобразования электрической энергии в оптическую. Данное значение является рекордным кпд для одномодовых узкополосных лазеров кВт-уровня пиковой мощности на 1.55 мкм.
В данной главе было исследовано усиление импульсов 100 нс длительности в эрбиевых световодах с двойной оболочкой. Были реализованы усилители с частотой повторения импульсов 1-10 кГц и энергией в импульсе до 1 мДж. Стоит отметить, что одномодовые эрбиевые лазеры с энергией 1 мДж были реализованы впервые, а продемонстрированная энергия в 5 раз превышает энергию в импульсе достигнутую ранее [58].
Был реализован ряд усилителей импульсов с узкой спектральной шириной ( 10 МГц) и изучено влияние ВРМБ на их стабильность. Был Создан лазер с рекордной пиковой мощностью 4 кВт при длительности импульсов 100 нс, что более чем в 2 раза превышает пиковую мощностью одномодовых узкополосных лазеров на 1.55 мкм достигнутую ранее [58], при этом предложенная схема является существенно более простой, так как не требует приложения распределенного напряжения. Также был реализован узкополосный усилитель импульсов длительностью 100 нс с пиковой мощностью 900 Вт и рекордным для таких систем кпд “от розетки” 8.5 %.