Волоконные лазеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский
политехнический университет»

Факультет прикладной математики и механики

Кафедра «Общая физика»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Наименование темы: Волоконные лазеры

Студент

Устинова Ю.Н.

Пермь 2018



Содержание

Введение

1. Волоконная оптика

1.1 Общие сведения о волоконной оптике

1.2 Распространение света в оптоволокне

1.3 Основные параметры оптического волокна

1.4 Потери при распространении света

2. Элементы волоконных лазеров

2.1 Особенности волоконных лазеров

2.2 Активные добавки волоконных световодов

2.3 Фотоиндуцированные решетки показателя преломления

3. Волоконные лазеры

3.1 Принцип работы

3.1.1 Общая схема

3.1.2 Накачка

3.1.3 Активные волоконные световоды

3.1.4 Резонаторы типа Фабри-Перо

3.2 ВКР-лазеры

3.3 Волоконные лазеры на фотонных кристаллах

4. Применение

Список использованной литературы

свет преломление оптоволокно лазер



Введение

Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной лазерной физики и волоконной оптики. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными лазерами, к числу которых относятся следующие:

· эффективный теплоотвод,

· высокое качество выходного излучения,

· высокие стабильность и надёжность лазера,

· эффективность накачки,

· компактность и малый вес.

Эти преимущества позволяют волоконным лазерам не только находить свою нишу в ряде применений, но и в некоторых случаях заменять традиционные лазеры. Наибольший интерес с практической точки зрения представляют мощные непрерывные волоконные лазеры на основе активных волоконных световодов, легированных ионами редкоземельных металлов, и волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР).



1. Волоконная оптика

1.1 Общие сведения о волоконной оптике

Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники, и её определение нельзя считать устоявшимся. Это область науки и техники, которая занимается изучением явлений, возникающих при распространении света в волоконных световодах; применением волоконных световодов и технологией их изготовления. [5]

Это одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной лазерной физики. Успехи этого направления связаны с проведением широких комплексных фундаментальных исследований, которые обеспечили не только создание волоконных световодов с предельно низкими потерями, но и уникальных источников когерентного излучения в необходимом спектральном диапазоне.

Однако требование увеличения скорости передачи и обработки информации ставит на повестку дня необходимость создания оптических каналов передачи информации со спектральным уплотнением. Именно на решение этой проблемы в значительной мере и направлены усилия ученых. Дальнейший прогресс невозможен без детальных фундаментальных исследований в области разработки новых элементов систем связи: высокоэффективных источников оптического излучения, оптических усилителей и волоконных световодов. [2].

Волоконный световод - это длинная тонкая нить, как правило, из стекла, имеющая сложную внутреннюю структуру.

Оптоволокно широко используется в оптических системах связи, что позволяет передавать информацию на гораздо более дальние расстояния и в гораздо более высоких объемах, в отличие от других средств коммуникации. Волокна используют вместо металлических проводов по той причине, что сигналы по оптоволокну распространяются с меньшими потерями, и что немало важно, являются помехозащищенными от взаимодействия с другими электромагнитными волнами. Специально сконструированные волокна используются в большом многообразии и других приложений, включая сенсоры и волоконные лазеры. [3].

1.2 Распространение света в оптоволокне

В простейшем случае световод состоит из сердцевины с показателем преломления n₁, оболочки с показателем преломления (при этом > ) и защитного покрытия.

Сердцевина и оболочка образуют волноводную структуру, обеспечивающую распространение излучения, а внешнее покрытие (полимерное, металлическое и пр.) предохраняет световод от внешних воздействий.

Рис. 1.1 - Структура оптоволокна

Распространение света в волоконных световодах основано на явлении полного внутреннего отражения.

Это явление наблюдается при переходе излучения из среды с большим показателем преломления () в среду с меньшим показателем ().



Рис. 1.2 - Полное внутреннее отражение света

При углах падения меньше критического угла , где - угол между направлением распространения луча и нормалью к поверхности раздела сред, происходит преломление луча в соответствии с законом Снеллиуса (луч 1). При углах падения > наблюдается полное внутреннее отражение (лучи 2 и 3). Критический угол определяется соотношением sin = / .

Таким образом, если среду с повышенным показателем преломления на достаточнобольшом расстоянии окружить средой с меньшим показателем преломления, можно обеспечить волноводное распространение света за счёт явления полного внутреннего отражения.

Первая демонстрация волноводного распространения света связана с именем английского учёного Дж. Тиндаля (1820-1893 гг.), который наблюдал такое распространение в струе воды. При этом полное внутреннее отражение обеспечивалось тем, что вода имеет показатель преломления более высокий (1,33), чем воздух (1). Следует отметить, что в настоящее время существует премия Тиндаля, присуждаемая за выдающиеся достижения в области волоконной оптики.[5].

Граница между сердцевиной и оболочкой может быть или резкой, в световоде со ступенчатым профилем показателя преломления, или постепенной, в градиентном волокне, то есть в волокне с плавно изменяющимся в поперечном сечении показателем преломления. [3].



1.3 Основные параметры оптического волокна

К основным параметрам волоконного световода относятся диаметр сердцевины 2a, диаметр оболочки 2b, числовая апертура NA, оптические потери б, длина L.

В зависимости от типа волоконного световода диаметр сердцевины может составлять от 1 до 100 мкм, диаметр оболочки - от 100 до 1000 мкм. Для световодов, используемых в оптических линиях связи, диаметр сердцевины около 10 мкм, оболочки - 125 мкм. [5].

Как известно, свет распространяется по оптоволокну согласно закону полного внутреннего отражения. Так как свет должен падать на границу раздела сред под углом меньше некоторого критического, то по оптоволокну будет проходить только такой свет, который заходит в него под определенным диапазоном углов. Такой диапазон углов называется входной угловой апертурой волокна, и является функцией разности показателей преломления сердцевины и оболочки оптоволокна.

	(1.1)

То есть существует максимальный угол между лучом, вводимым в световод, и осью световода, падая под которым свет проникает в оптоволокно так, что распространяется по его сердцевине. Синус этого максимального угла и есть числовая апертура (NA) оптоволокна. Волокно с большей числовой апертурой требует меньшей точности при сращивании волокон. Одномодовое волокно имеет низкую апертуру. [3]. Лучи, введённые в световод под углами больше , не испытывают полного внутреннего отражения, а преломляются и вытекают. На выходе волоконного световода излучение также сосредоточено в конусе с половинным углом .

Волноводные свойства волоконного световода зависят не только от его параметров, но и от длины волны л распространяющегося излучения. Чтобы учесть этот фактор, вводится нормированная частота V.

	(1.2)

Значение нормированной частоты, в частности, определяет модовый состав излучения в световоде. С формальной точки зрения, мода - это устойчивое состояние электромагнитного поля внутри световода, одно из решений уравнений Максвелла для заданной структуры. Условно моду световода можно определить и как траекторию распространения света. [5]. Если V < 2,405, то в световоде распространяется лишь одна мода. [4]. Световоды, в которых реализуется такой режим в ближней ИК-области, определяются как одномодовые. При V > 2,405 появляются моды более высоких порядков. Число мод при большом значении нормированной частоты порядка /2. Понятие «одномодовости» носит несколько условный характер, т.к. при уменьшении длины волны излучения одномодовый световод становится многомодовым. [5].

1.4 Потери при распространении света в оптическом волокне

Свет, распространяясь по оптоволокну неизбежно подвержен потерям. Существует несколько видов потерь на поглощение света, его рассеяние. Рассмотрим основные факторы, препятствующие стабильному прохождению света в световодах.

На коротких волнах преобладает релеевское рассеяние (см. рис. 1.3), которое обратно пропорционально четвертой степени длины волны излучения



	(1.3)

На длинных волнах преобладает фононное поглощение. Оно проявляется в виде ряда пиков поглощения в далекой ИК-области (1,8 - 2,8 мкм). Частоты решеточного поглощения определяются акустическими и оптическими колебаниями решетки. Спектр фононного поглощения сложный.

Дополнительные пики потерь (их можно увидеть на графике зависимости потерь в оптоволокне от длины волны распространяющегося излучения) вносят гидроксильные группы ОН.

Рис. 1.3 - Потери при распространении света в оптоволокне

Распространяясь по волокну, световой сигнал испытывает минимальное затухание порядка <0.2 dB/km лишь в сверхчистых кремниевых волокнах вблизи длины волны 1,5 мкм. Однако для световодов длиной порядка нескольких метров потери на поглощение примесными атомами незначительны [4], что позволяет использовать волоконный световод в качестве активного элемента, сердцевина которого легирована активными ионами, как правило, тех же редкоземельных металлов. [5].



2. Элементы волоконных лазеров

2.1 Особенности волоконных лазеров

Одним из самых ярких достижений волоконной оптики является разработка и создание волоконных лазеров. В обычном лазере в качестве активной среды используется кристалл или стекло, легированное ионами элемента, который люминесцирует при оптическом возбуждении. В качестве таких элементов наибольшее распространение получили редкоземельные металлы - неодим, иттербий, эрбий и др. Для оптического возбуждения применяются мощные лампы или полупроводниковые излучатели. Для получения генерации активный элемент помещается в резонатор, образованный двумя зеркалами - глухим и полупрозрачным, - через которое выходит излучение. Такие лазеры требуют юстировки зеркал и их жёсткой фиксации. Кроме того, существуют проблемы, связанные с нагревом активной среды.

Конструкция существенно упрощается при переходе к волоконному лазеру. В нём активным элементом является волоконный световод, сердцевина которого легирована активными ионами, как правило, тех же редкоземельных металлов. В качестве зеркал, формирующих резонатор, используются внутри волоконные брэгговские решётки с различными коэффициентами отражения, которые просто привариваются к активному световоду. Накачивается такой лазер малогабаритным полупроводниковым излучателем с волоконным выходом, который также приваривается к лазеру. Таким образом, получается компактное и лёгкое устройство, простое в эксплуатации из-за отсутствия механических юстировок, обладающее эффективным теплоотводом из-за большой площади боковой поверхности и высоким качеством выходного излучения, обусловленным волноводным характером его распространения. Все эти факторы делают волоконный лазер надёжным и стабильным источником излучения. Следует подчеркнуть, что за последние 15 лет максимальная выходная мощность волоконных лазеров выросла с 5 до 2000 Вт в непрерывном режиме, а спектральный диапазон их излучения простирается от 0,9 до 2,2 мкм. Это позволяет применять волоконные лазеры для обработки материалов (резка, сварка, сверление), для проведения хирургических операций, зондирования атмосферы, лазерной локации, в системах связи и пр.[5].

2.1 - Схема волоконного лазера

2.2 Активные добавки волоконных световодов

Так же как и в случае твердотельных лазерных источников, наибольшее распространение в качестве активных легирующих добавок волоконных световодов получили ионы лантаноидов, или редкоземельных элементов. Специфические оптические свойства данных элементов определяются тем, что для них характерна достройка внутренней f-оболочки, когда уже заполнились внешние оболочки. Наличие незаполненной внутренней оболочки приводит к появлению ярко выраженной дискретной структуры электронных переходов, которая и обуславливает применение ионов редкоземельных элементов в качестве активной примеси. Применимость активного иона для легирования волоконных световодов на основе кварцевого стекла определяется следующими факторами: во-первых, активный ион должен иметь излучательный переход в ближней ИК-области спектра, где кварцевое стекло наиболее прозрачно. Во-вторых, в кварцевом стекле энергия фононов составляет 400 - 1100 , поэтому наличие энергетических уровней с малым энергетическим зазором внутри оптического перехода приводит к безызлучательной релаксации, препятствуя появлению люминесценции. Поэтому в качестве активной примеси волоконных световодов на основе кварцевого стекла наибольшее распространение нашел ряд элементов, приведенных в таблице 2.1. Там же содержатся данные об области люминесценции этих активных ионов.

Таблица 2.1 - Ионы редкоземельных элементов, использующихся для активации волокон, и спектральные области люминесценции элементов

Активный ион	Область люминесценции, мкм
	0,92 - 0,94 1,05 ? 1,1 1,34 1,9 ? 2,1 1,53 ? 1,6 1,7 ? 1,9 0,98 ? 1,16

Отметим, что в волоконных световодах на основе стекол другого состава, в частности флюоридных и халькогенидных, возможно получение лазерной генерации с использованием и других активных ионов, например, празеодима. Схемы энергетических уровней элементов, приведенных в таблице 2.1, и используемые оптические переходы представлены на рисунке 2.2.

Рассмотрим более подробно каждый из легирующих ионов.

Неодим (). Ионы неодима в кварцевом стекле имеют ряд сильных полос поглощения в видимом и ближнем ИК-диапазоне, однако для селективного возбуждения на уровень чаще всего используется полупроводниковый источник излучения с длиной волны 0.8 мкм. Три основных полосы люминесценции расположены в области 0.92, 1.06 и 1.34 мкм. При этом наиболее интенсивной является полоса люминесценции в области 1.06 мкм, соответствующая переходу > (время жизни на возбужденном уровне составляет около 0,5 мс). На этой длине волны лазер работает по четырехуровневой схеме генерации.

Рис. 2.2 - Схема энергетических уровней ионов ряда редкоземельных металлов

Это объясняет тот факт, что неодим был первой активной примесью для создания активной среды волоконного лазера, использующего световод на основе кварцевого стекла. Реализация волоконных лазеров с использованием оптического перехода > (л = 0.92 мкм) затруднена из-за конкуренции со стороны люминесценции в области 1,06 мкм, а генерация в области 1,34 мкм (>) - из-за поглощения из возбужденного состояния. Тем не менее, подавление люминесценции на 1,06 мкм позволило создать эффективный волоконный лазер, излучающий на длине волны 0,92 мкм.

Гольмий (). Энергетическая схема имеет лазерный переход > с соответствующей длиной волны излучения в области 2 мкм. Время жизни на возбужденном уровне составляет около 0,5 мс. При этом гольмиевый лазер должен работать по трехуровневой схеме, поскольку на той же длине волны существует поглощение из основного состояния. Поэтому для таких лазеров для достижения инверсии необходимой является накачка в интенсивную полосу поглощения. По этой причине наибольшее распространение нашли твердотельные гольмиевые лазеры с ламповой накачкой в полосы поглощения, расположенные в видимой части спектра. Использование полосы поглощения в области 0,9 мкм, соответствующей переходу для накачки полупроводниковым источником не получило применения вследствие слабой интенсивности указанной полосы. В то же время, наличие интенсивной полосы поглощения в области 1,15 мкм, соответствующей переходу >, позволяет рассчитывать на существенное улучшение характеристик гольмиевого волоконного лазера при накачке в эту полосу.

Эрбий (). Ионы эрбия в кварцевом стекле обладают лазерным переходом >, соответствующим излучению в области 1,53 - 1,6 мкм, время жизни на метастабильном уровне составляет 10 - 12 мс. Данный спектральный диапазон совпадает с областью минимальных оптических потерь волоконных световодов на основе кварцевого стекла и, следовательно, с диапазоном, используемым в современных волоконно-оптических линиях связи. В сочетании с возможностью применять полупроводниковые источники накачки на 0,98 и 1,48 мкм это обусловило широкое использование волоконных световодов, легированных ионами эрбия, а также устройств на их основе. Следует отметить, что квантовая эффективность накачки для этих световодов приближается к 100 %, а большое время жизни на метастабильном уровне, составляющее около 10 мс, позволяет достигать высоких коэффициентов усиления.

Тулий (). В данном случае излучение связано с переходом при накачке в полосу, обусловленную переходом на уровень > при накачке в полосу, обусловленную переходом на уровень (л = 790 нм) либо (1060 - 1250 нм). Спектральный диапазон возможной лазерной генерации составляет 1850 - 2100 нм, время жизни на метастабильном уровне примерно 0,2 мс.

Иттербий (). Энергетическая структура ионов является предельно простой. Помимо основного уровня они обладают лишь одним уровнем . Следовательно, в спектре поглощения волоконных световодов, легированных ионами присутствует лишь одна полоса поглощения, имеющая сложную форму из-за штарковского расщепления. Данная полоса проявляет два максимума с центрами на 915 и 976 нм, поэтому для накачки используются полупроводниковые источники, излучающие в этих спектральных диапазонах. Спектр люминесценции, обусловленный переходом > имеет максимумы в области 978 - 982нм и 1030 - 1040 нм, простираясь до области 1,15 - 1,2 мкм. Время жизни на метастабильном уровне для алюмосиликатного стекла составляет около 0,8 мс. Это позволяет реализовать широкий набор волоконных источников для диапазона 0,98 - 1,2 мкм с различными спектральными и энергетическими характеристиками.

2.3 Фотоиндуцированные решетки показателя преломления

Фотоиндуцированные брэгговские решетки показателя преломления используются в волоконных лазерах в качестве селективных отражателей, образующих лазерный резонатор. Получение фотоиндуцированных решеток показателя преломления стало возможным после обнаружения фоточувствительности световодов, т. е. стабильного изменения показателя преломления материала сердцевины световода под действием УФ излучения определенных длин волн. В общем случае под фотоиндуцированной внутри волоконной брэгговской решеткой показателя преломления следует понимать отрезок волоконного световода с модуляцией показателя преломления в световедущей области с амплитудой на уровне 10^-5 - 10^-3 и периодом порядка длины волны распространяющегося излучения.

Основнымихарактеристиками решетки являются период модуляции показателя Л , величина наведенного изменения показателя преломления дn , число штрихов N или длина решетки L. На рис. 2.3 представлен типичный спектр пропускания брэгговской решетки с параметрами L = 5 мм, дn = 8 ? 10^-4, Л =0,4 мкм. Решетка обеспечивает коэффициент отражения R ? 0,99 на длине волны 1136 нм, при этом ширина спектра отражения составляет около 0,4 нм. Такие решетки, имеющие высокий коэффициент отражения и большую ширину спектра отражения, обычно используются в качестве входных отражателей волоконных лазеров.

Рис. 2.3 - Типичный спектр пропускания брегговской решетки



3. Волоконные лазеры

3.1 Принцип работы

3.1.1 Общая схема

Рис. 3.1 ? Типичная схема волоконного лазера и усилителя. М1 и М2 -- брэгговские зеркала, А -- активное волокно, Д -- диод накачки.

Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированнное оптическое волокно ? сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить несколько классов наиболее распространенных: резонаторы типа Фабри - Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке для получения большей мощности.



3.1.2 Накачка

Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое оптоволокно с двойным покрытием). Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая ? из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом, первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. Эффективное возбуждение ионов редкоземельных элементов достигается подбором диаметров активной сердцевины и волновода накачки. По такой технологии можно получить выходную мощность порядка 100 Вт.

Рис. 3.2 - Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием

Рис. 3.3 ? Два различных типа оптических волокон для волоконных лазеров (не в масштабе). Слева: обычная схема с одним волноводом накачки, оптоволокно с двойным покрытием. Справа: схема с двумя волноводами накачки (для примера). 1 - Сердцевина, легированная редкоземельными ионами. 2 - Волновод накачки. 3 - Общая оболочка. 4 - Защитная оболочка.

3.1.3 Активные волоконные световоды

Под активными понимают волоконные световоды, в состав материала которых входят ионы элементов, обладающих оптическими переходами. При этом активный ион может вводиться как в сердцевину световода, так и в его отражающую оболочку, если по ней распространяется заметная часть оптической мощности. Для производства активных волоконных световодов используется ряд технологических процессов: MCDV (модифицированное химическое осаждение из газовой фазы), OVD (внешнее осаждение из газовой фазы), VAD (аксиальное осаждение из газовой фазы) и другие. Для введения активной примеси в этих процессах наибольшее распространение нашли метод пропитки, когда не проплавленный пористый материал сердцевины пропитывается раствором соли активной добавки, и легирование из летучих соединений.

Следует отметить, что максимальная концентрация активных ионов в сетке кварцевого стекла невелика и ограничивается их растворимостью, а также возникновением кооперативных эффектов. [1]. Кооперативные эффекты - это явления в многочастичной системе, связанные с когерентным (согласованным) взаимодействием большого числа частиц. [6]. Это приводит к тому, что длина активной среды волоконного лазера может достигать нескольких десятков метров. Поэтому естественным требованием к активным волоконным световодам является наличие достаточно низких нерезонансных оптических потерь. Приемлемое значение потерь составляет от 5 до 20 дБ/км, в этом случае их влияние на эффективность лазера составляет не более нескольких процентов. На рис. 3.4 представлен спектр оптических потерь волоконного световода, легированного ионами с концентрацией 8 • 10¹⁹ см^-3. Сердцевина данного образца была также легирована Al₂O₃, что позволяет, как увеличить предел растворимости редкоземельных ионов в кварцевом стекле, так и уменьшить вероятности их кластеризации, приводящей к кооперативной ап-конверсии.

Рис. 3.4 - Спектр оптических потерь в сердцевине оптического световода при концентрации ионов 8 • 10¹⁹ см^-3

Как уже отмечалось, мощные полупроводниковые источники для накачки волоконных лазеров требуют применения волоконных световодов с двойной оболочкой. В качестве активной среды мощных волоконных лазеров используются световоды, состоящие из одномодовой сердцевины, легированной как активной примесью редкоземельного элемента, так и примесями, формирующими профиль показателя преломления, а также из внутренней оболочки из кварцевого стекла и внешней оболочки с показателем преломления, пониженным по сравнению с таковым для кварцевого стекла. Модельный профиль показателя преломления данных световодов показан на рис. 3.5, а.

Внутренняя оболочка (вместе с внешней оболочкой) образует многомодовый световод, по которому распространяется излучение накачки. Она имеет типичный размер 0,1 - 1 мм, что обеспечивает возможность ввода излучения накачки от полупроводниковых источников с мощностью от нескольких единиц до нескольких десятков ватт. При распространении по многомодовому световоду излучение накачки поглощается активными ионами редкоземельного элемента, вызывая люминесценцию, которая при наличии обратной связи может развиться в лазерную генерацию. При этом область генерации оказывается локализованной в одномодовой сердцевине, т. е. ее характерный поперечный размер составляет 5 - 10 мкм. Принцип преобразования многомодового излучения накачкив одномодовое излучение волоконного лазера иллюстрируется на рис. 3.5,б.

Таким образом, волоконный лазер с накачкой в оболочку может рассматриваться как устройство, позволяющее повысить яркость полупроводникового источника в сотни раз (естественно, на другой длине волны).

Рис. 3.5 - Модельный профиль показателя преломления (а) и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера (б)

Оптические волокна с внутренней оболочкой круглой формы (см. рис. 3.6) являются неэффективными в смысле обеспечения связи мод внутренней оболочки с активированной сердцевиной, хотя и отличаются относительной простотой изготовления и соединения волокон. Причина заключается в том, что излучение в силу круговой симметрии не пересекает сердцевину волокна, расположенную в его центре, и следовательно, не обеспечивает должным образом накачку. Изгиб волокна в большинстве случаев не приводит к положительному результату. Смещение сердцевины к краю внутренней оболочки зачастую дает положительный эффект, однако это усложняет процесс производства волновода и его соединение.

Рис. 3.6 - Геометрия накачки в оболочку круглой формы с центрированной и смещенной к краю сердцевиной

Внутренние оболочки волокон некруглой формы (см. рис. 3.7), в частности, многоугольники, оболочки в форме буквы D, прямоугольные оболочки являются эффективным путем повышения накачки активной сердцевины.

Рис. 3.7 - Геометрия накачки во внутренние оболочки некруглых форм

Многоугольные оболочки трудны в изготовлении, зато их легко соединять, так как они обладают осевой симметрией по отношению к активной сердцевине. Оболочки в форме английской буквы D можно изготовить путем простого «шлифования» части круглой оболочки, но такие волноводы непросты в соединении.[7].

3.1.4 Резонаторы типа Фабри-Перо

Резонаторы, основанные на интерферометре Фабри - Перо, являются одними из самых распространённых. Различия между ними заключаются в способе создания зеркал резонатора.

В первых волоконных лазерах для создания резонатора Фабри - Перо применялись диэлектрические зеркала. Благодаря возможности создавать их практически прозрачными на длине волны накачки 0,82 мкм сохраняя при этом высокий коэффициент отражения на длине волны генерации 1,088 мкм (таковы были параметры лазеров, где применялось волокно, легированное ионами Nd³⁺). Вначале волокно размещалось между зеркалами, однако такую конструкцию было сложно юстировать. Частичное решение проблемы состояло в нанесении диэлектрических зеркал непосредственно на торцы волокна, что, однако, повышало риск их повреждения мощным сфокусированным излучением накачки и ужесточало требования к обработке торцов оптоволокна. Проблема защиты зеркал иногда решалась применением WDM-ответвителей.

Резонатор внутри оптического волокна создается парами внутри волоконных брэгговских решёток ? участков оптического волновода, в которой создается структура с модулированным показателем преломления. Участки с измененным показателем преломления (штрихи) располагаются перпендикулярно оси волновода. Отражение от такой структуры происходит на длине волны

	(1.4)

где n_eff ? эффективный показатель преломления основной моды,

Л_B ? период решётки. Характер отражения (полное или частичное), будет зависеть от её параметров.

Ширина спектра отражения при большом количестве штрихов становится пропорциональной коэффициенту связи к, связанным с коэффициентом отражения соотношением

	(1.5)

где L -- длина решётки. На практике созданная внутри волокна брэгговская решётка имеет несколько иные параметры, так как само её создание меняет эффективный показатель преломления в месте нахождения решётки, и таким образом, саму её резонансную длину волны. Для внутри волоконных решёток являются опасными высокие температуры. Хотя в целом, температура разрушения решётки существенно зависит от метода её создания и материала волокна, чаще всего критические температуры лежат в диапазоне 300--600 °C.

В волоконных ВКР-лазерах иногда создают более одной пары брэгговских решёток на разные длины волн для достижения большего порядка рассеяния.

3.2 ВКР-лазеры

Волоконные лазеры могут быть созданы на основе активного оптического волокна ? кварцевого волокна, легированного редкоземельными элементами (иттербием, эрбием, неодимом, тулием, гольмием и другими), или пассивного волокна с использованием эффекта вынужденного рамановского рассеяния. В последнем случае оптический резонатор образует световод в сочетании с брэгговскими решётками показателя преломления, «записанными» в волокне. Такие лазеры называются волоконными рамановскими лазерами.

Волокно лазера может быть очень длинным для получения высоких выходных мощностей. В современных волоконных лазерах на киловаттные мощности применяется соединение множества отдельных световодов в один путём сварки световодов «елочкой». Большая распределенная площадь поверхности световода позволяет эффективно охлаждать активный элемент такого лазера.

Излучение лазера распространяется внутри оптического волокна и поэтому резонатор волоконного лазера не требует юстировки. Именно это обстоятельство обусловило бурное развитие лазеров этого типа, однако относительная простота резонаторов этих лазеров зачастую не позволяет реализовать такие параметры излучения или режимы их изменения, которые достигаются в лазерах на дискретных (объёмных) оптических элементах.

В волоконном лазере можно получать как одночастотную генерацию, так и генерацию ультракоротких (фемтосекундных, пикосекундных) световых импульсов.

3.3 Волоконные лазеры на фотонных кристаллах

Повышение выходной мощности излучения и управление числовой апертурой может достигаться использованием оптоволокна на фотонных кристаллах.



4. Применение

Из применений можно назвать:

1. Резка полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы.

2. В медицине, в качестве лазерных скальпелей-коагуляторов (для рассечения и удаления мягких тканей, остановки кровотечений в общей, косметической, гинекологической, ЛОР, эндо-, лапароскопической и других областях хирургии).

3. Для оптоволоконной передачи данных.

Данный способ передачи данных является основным для высокоскоростной передачи данных на большие расстояния. Оптоволоконные кабели используются как для проведения интернета и кабельного телевидения между домами в городах, так и для межконтинентального соединения (бронированный кабель для подводной укладки с усилителями).[9]



Список использованной литературы

1. Курков А. С., Дианов Е. М. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности - www.quantum-electron.ru/php/paper_rus.phtml?journal_id=qe&paper_id=2739 // Квантовая электроника. -- 2004. -- Т. 34. -- № 2. -- С. 881--900. -- DOI:10.1070/QE2004v034n10ABEH002739 - dx.doi.org/10.1070/QE2004v034n10ABEH002739

2. Волоконные лазеры и волоконная оптика, Internet.

3 Optical fiber. Fundamentals, Internet.

4. Fundamentals of Fiber Lasers and Amplifiers, Rьdiger Paschotta, RP Photonics Consulting GmbH, Zьrich, Switzerland. Winter College on Fibre Optics, Fibre Lasers and Sensors, Trieste, February 2007. www.rp-photonics.com.

5. Е.М.Дианов, А.С.Курков, Волоконная оптика, НЦВО РАН, г. Москва, www. gpi.ru

6. Физическая энциклопедия, т. 5, гл. ред. А.М.Прохоров. - М.:Российская энциклопедия, 1998.

7. High Power Fibre Lasers and Amplifiers, Andy Clarkson, Optoelectronics Research Centre University of Southampton, United Kingdom. Winter College on Fibre Optics, Fibre Lasers and Sensors, Trieste, February 2007. www.rp-photonics.com.

8. В.А. Малышев, Основы квантовой электроники и лазерной техники. - М.:Высш. шк., 2005. - 543с.:ил.

9. Вудс С., Дака М., Флин Г. Волоконные лазеры средней мощности и их применение - www.photonics.su/issue/2008/4/2 // Фотоника. -- 2008. -- № 4. -- С. 6--10.

Размещено на Allbest.ru