Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

6. Специальные ОВ

6.2.3. Волоконно-оптические лазеры.

         Схема волоконно-оптического лазера приведена на рис. 6.24. Как обычно, лазер включает в себя источник накачки и резонатор, который состоит из активной среды (АкОВ) и зеркал (брэгговских решеток). В качестве источника накачки используется полупроводниковый диодный лазер, излучающий на соответствующей длине волны. Наиболее простым является случай с торцевой накачкой, когда излучение вводится в торец волокна, как на рис. 6.24. Достоинством данного способа является возможность его применения для всех типов АкОВ, а недостатком – использовать лишь один источник накачки. Применение накачки с использованием V-образной канавки позволяет распределять вводимое излучение по длине АкОВ и добавлять новые источники по длине волокна, формируя V-образные канавки по мере истощения мощности от предыдущего источника.

Рис. 6.24. Простейшая конфигурация волоконно-оптического лазера: 1 – полупроводниковый излучатель, 2 – точка сварки, 3, - активное волокно, 4 – – брэгговские решетки, 5 – выход излучения

Мощные полупроводниковые источники для накачки требуют применения АкОВ с двойной оболочкой. В этих ОВ помимо одномодовой сердцевины, легированной ионами РЗЭ, и внутренней светоотражающей кварцевой оболочки имеется внешняя оболочка с ПП меньшим, чем ПП кварцевого стекла. На рис. 6.25 приведен модельный профиль и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера, выходящего из сердцевины диаметром 5…10 мкм. При распространении излучения накачки по многомодовому световоду, в котором внутренняя оболочка выполняет также роль сердцевины по отношению к внешней оболочке, энергия накачки захватывается ионами РЗЭ, вызывая люминесценцию. При наличии обратной связи эта люминесценция развивается в лазерную генерацию.

Рис. 6.25. Модельный профиль ПП (а) и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера в АкОВ с двойной оболочкой: 1- внутренняя оболочка, 2 – активная сердцевина, 3 – внешняя оболочка, 4 – многомодовая накачка, 5 – одномодовая генерация.

В качестве материалов внешней оболочки используются СИЭЛ, о котором говорилось в гл. 4, и тефлон AF, причем первый обеспечивает числовую апертуру до ~ 0,4 а второй - до ~0,6. К недостаткам силиконового покрытия следует отнести относительно высокие потери для излучения накачки (~ 50 дБ/км), а к недостаткам тефлона, обеспечивающего потери ~10 дБ/км, - малую толщину покрытия (10…20 мкм), которая увеличивает риск повреждения АкОВ.

Для эффективной связи мод внутренней оболочки с активной сердцевиной форму внутренней оболочки делают некруглой за счет шлифовки исходной заготовки перед ее вытяжкой. В таблице 6.3 приведены данные, показывающие влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в АкОВ, сердцевина которого легирована ионами иттербия.

Таблица 6.3 Влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в АкОВ, легированном ионами Yb

Геометрия оболочки

Поглощение на l=978 нм, дБ/км

Круглая

D-образная

Прямоугольная

Квадратная

0,3±0,05

2,2±0,05

3,5±0,05

3,3±0,05

Из таблицы видно, что некруглая форма внутренней оболочки приводит почти к 100% эффективности накачки, однако с учетом потерь на сварке АкОВ с круглым волокном, используемым для записи ВБР, оптимальной является квадратная форма.

Другим вариантом повышения эффективности накачки является использование АкОВ с микроструктурированной оболочкой, содержащей воздушные капилляры. Схема такого АкОВ приведена на рис. 6.26. Характерное значение числовой апертуры таких ОВ составляет ~ 0,5 и ограничивается вытеканием мод высшего порядка через перемычки, поддерживающие внутреннюю оболочку. Большое значение NA и меньшая площадь внутренней оболочки в микроструктурированных ОВ позволяют увеличить в несколько раз плотность и эффективность накачки по сравнению с вышеуказанными ОВ.

Рис. 6.26. Схема АкОВ с микроструктурированной оболочкой; черные кружки –  капилляры, заполненные воздухом: 1 - активированная сердцевина, 2 – внутренняя оболочка, 3 – микроструктурированная оболочка, 4 – технологическая кварцевая оболочка

Для иллюстрации на рис. 6.27 приведены типичные характеристики иттербиевого волоконного лазера: спектр люминесценции ОВ, с также спектр генерации лазера, возникающий при стыковке АкОВ с парой согласованных ВБР, имеющих резонансную длину волны 1103 нм. В данном  случае ВБР с высоким коэффициентом отражения (R>99%) имела спектральную ширину 0,7 нм, а выходная ВБР (R~10%) –0,3 нм. Благодаря широкой полосе люминесценции иттербиевые ОВ позволяют получать лезерную генерацию в широком диапазоне длин волн 1050…1150 нм с дифференциальной эффективностью 50…80%. Зависимости выходной мощности лазера от мощности накачки на l = 0,978 мкм для разных длин волн генерации представлены на рис. 6.27 (б) . Видно, в частности, что при удалении от максимума спектра люминесценции (1,08…1,09 мкм) эффективность генерации уменьшается, однако остается на уровне 50 % даже на длине волны 1,148 мкм.

Рис. 6.27 Характеристики иттербиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку: а) спектр люминесценции (…) и генерации (-), б) зависимости выходной мощности от мощности накачки (λнакачки=980 нм) для различных длин волн генерации.

Путем объединения отдельных модулей в НПО «ИРЭ-Полюс» удалось создать иттербиевый волоконно-оптический лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе маломодового волокна около 10 кВт.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.