Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

6. Специальные ОВ

6.2.5. ВКР волоконно-оптические лазеры.

Волоконно-оптические лазеры, созданные на основе АкОВ, сердцевина которых легирована ионами РЗЭ, излучают лишь в определенных спектральных областях, не заполняющих весь ближний ИК-диапазон. Использование явления вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в ОВ позволяет создавать эффективные преобразователи длины волны (конвертеры) излучения лазерных источников и получать лазерную генерацию практически на любой длине волны ближнего ИК-диапазона. Явление ВКР (иногда называемого рамановским рассеянием) обусловлено неупругим взаимодействием фотонов с молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергиями и возможны переходы на новые энергетические уровни. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР, приведены на рис. 6.30.

Молекула или ион, находящиеся в невозбужденном состоянии с энергией Е0 под действием кванта с энергией hν00 – частота падающего света) возбуждается в промежуточное (виртуальное) состояние с энергией Евир., откуда они могут вернуться в исходное состояние , испустив квант hν0 (рэлеевское рассеяние), либо перейти в состояние Ei, испустив квант h(ν0i), что приводит к появлению в спектре рассеянного излучения с частотами ν0i (стоксовы частоты). Если до поглощения фотона молекула   или ион находились в возбужденном состоянии с энергией Ei , то после рассеяния света они могут перейти как в исходное состояние, так и в основное состояние Е0. В последнем случае энергия рассеянного света возрастет, составляя h(ν0i), что приводит к появлению в спектре частот ν0i (антистоксовые линии).

Рис. 6.30. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР. Энергия возбуждающего света hν0, линии КР имеют частоты ν0±νi .

Следует отметить, то наибольшее значение имеет не абсолютная частота излучения, а величина частотного смещения света (ni). В случае непрерывной накачки объемного материала начальный рост интенсивности стоксовой волны (излучения) описывается соотношением

dIc / dz = gR´I0´Ic                                      (6.17),

где Ic и I0 – интенсивности стоксовой волны и волны накачки соответ-ственно, gR – коэффициент ВКР –усиления. Специфика ОВ, как ВКР-среды, заключается в относительно малом коэффициенте усиления (для плавленого кварца - 10-13 Вт/м) и большой длине взаимодействия. Последнее обстоятельство позволяет снизить пороги получения ВКР.На величину рамановского усиления ОВ влияет распределение интенсивности света по сечению ОВ. Поэтому коэффициент рамановского усиления в ОВ (g0) записывается как

                   g0 =  (∫ gR×I0×IC×ds) / [(∫I0×ds) (∫Ic×ds)]                                 (6.18),

где интегралы берутся по поперечному сечению ОВ.

На рис. 6.31 приведены относительные ВКР-спектры (рамановские) для объемных стекол SiO2, GeO2, B2O3, P2O5, а в таблице 6.5 некоторые их характеристики, в том числе частотное смещение (волновое число).

Рис. 6.31. Относительные рамановские спектры для стекол SiO2, GeO2, B2O3, P2O5

Если активную среду конвертора поместить в резонатор, образованный узкополосными отражателями ВБР, то получим ВКР-лазер. Комбинируя длину волны накачки и материал активного световода можно получить генерацию практически во всем спектре ближнего ИК-диапазона. Для иллюстрации рассмотрим следующий пример (рис. 6.32). Излучение из полупроводникового лазера на длине волны 0.806 мкм вводится в активное оптическое волокно, сердцевина которого легирована неодимом и к которому приварены брэгговские решетки, формируя волоконно-оптический лазер с генерацией на λNd=1,06 мкм = 1,06×10-4  см (таблица 6.2), при этом частота излучения составит:

ν0 = 1/λNd = 1/1,06×10-4= 9434 см-1                     (6.19).

Таблица 6.5 Характеристики ВКР-спектров для стекол SiO2, GeO2, B2O3, P2O5

Тип стекла

Показатель

преломления

Относительная

интенсивность

Величина волнового числа

см-1

Относительное

сечение

SiO2

GeO2

B2O3

P2O5

P2O5

1,46

1,60

1,48

1,55

1,55

1

7,4

4,6

4,9

3,0

440

420

808

640

1390

1

9,2

4,7

5,7

3,5

Если излучение неодимого лазера ввести в волокно с фосфорсиликатной сердцевиной, для которого Δν = 1330 см-1 при концентрации P2O5 10…15 мол. %, то новая частота излучения будет ν0-Δν = 9434-1330 = 8104  см-1, а длина волны соответственно- λнов.= 1/( ν0-Δν) = 1/8104 ≈ 1,24 мкм. Таким образом, введя в фосфорсиликатное волокно излучение на λ =1,06 мкм, на выходе получаем излучение с длиной волны λ = 1,24 мкм.

Рис. 6.32. Схема ВКР-лазера с брэгговскими решетками (ВБР), записанными непосредственно в ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной (точками отмечены места сварки): 1 – лазерная матрица с излучением на λ=0,806 мкм, 2 – АкОВ, сердцевина которого легирована неодимом, 3 – ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной, 4 – выход излучения на λ=1,234 мкм, 5 – резонатор ВКР-лазера, ВБР – волоконная брэгговская решетка с коэффициентом отражения R (например, 99 %) на λ=1,06 мкм

Для получения излучения в спектральной области l> 1,35 мкм необходимо использовать многокаскадные ВКР-лазеры, когда излучение с выхода одного каскада ВКР-лазера подается на вход следующего каскада ВКР-лазера и т.д. Например, если использовать излучение l = 1,24 мкм с выхода фосфоросиликатного волокна  для накачки следующего каскада с фосфоросиликатным ОВ, можно получить излучение на 1,48 мкм, как это видно из рис. 6.33.

В заключении отметим, что интенсивность стоксовых частот возрастает с ростом концентрации легирующих компонентов (германия, фосфора и др.). Поэтому для создания ВКР - лазеров обычно используют высоколегированные ОВ, однако увеличение концентрации часто приводит к росту потерь и, в конечном счете, к уменьшению интенсивности излучения. В связи с этим приходится принимать  некоторую оптимальную концентрацию легирующих примесей. Установлено, что величина потерь в высоколегированных ОВ уменьшается с уменьшением температуры вытяжки волокна и при добавке в сердцевину небольшой концентрации фтора.

Рис. 6.33. Спектр излучения двухкаскадного ВКР-лазера на основе фосфоросиликатного оптического волокна



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.