Волоконные технологические лазеры

Московский государственный технический университет
имени Н. Э. Баумана

ВОЛОКОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана
2010

УДК 621.375.826
ББК 32.86-5
В68

В68

Рецензенты: Ю. В. Богачев, В. И. Дюжиков

Волоконные технологические лазеры : учеб. пособие /
Ю. В. Голубенко, А. В. Богданов, Ю. В. Иванов, Р. С. Третьяков. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 50,
[2] с. : ил.

Рассмотрены основные вопросы получения генерации в волоконных лазерах, методы накачки. Представлены активные элементы для
активации волокна и схемы лазерных переходов. Описаны особенности резонаторов волоконных лазеров на брэгговских решетках и способы их получения. Приведены энергетические и пространственновременные характеристики волоконных лазеров, работающих на редкоземельных элементах. Определены перспективы развития волоконных лазеров.
Для студентов факультетов РЛ, МТ, изучающих лазерную технику
и технологию.
УДК 621.375.826
ББК 32.86-5

c⃝ МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной квантовой электроники. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Существует
ряд преимуществ волоконных лазеров по сравнению с традиционными квантовыми излучателями, которые позволяют использовать
их наравне с обычными лазерами, а в некоторых случаях и заменять последние. В начале развития волоконной оптики основной
задачей представлялось создание волоконных световодов как пассивной среды для передачи информации. Однако, как и в любой
другой развивающейся области науки, в процессе решения первоначальной задачи появились другие возможности волоконной
оптики, которые привели к увеличению числа изучаемых объектов и явлений и, в свою очередь, расширили область возможных
применений волоконных световодов и устройств на их основе.
Отдельным направлением волоконной оптики является разработка и исследование волоконных лазеров. В этих устройствах в
качестве активной среды используются волоконные световоды, легированные различными добавками, прежде всего редкоземельными элементами. Впервые волоконный лазер был создан Е. Снитцером в 1961 г., когда была продемонстрирована лазерная генерация в стекле, легированном ионами Nd3+. Активный элемент
лазера представлял собой стеклянную нить, покрытую оболочкой
из стекла с пониженным показателем преломления. Развитие технологии получения волоконных световодов и полупроводниковых
источников накачки позволило вернуться к идее волоконного лазера на качественно новом уровне. Начало бурного развития этого
направления относится к концу 1980-х годов, когда было показано,
что волоконные световоды, легированные ионами Er3+, могут найти применение в волоконных усилителях сигнала на длинах волн в
диапазоне 1,53. . . 1,56 мкм, т. е. в спектральной области минимальных оптических потерь волоконных световодов на основе кварце
3

вого стекла. Исследования в области волоконно-оптических усилителей послужили толчком для создания мощных полупроводниковых источников накачки. Открытие фоторефрактивного эффекта в световодах и разработка методики записи внутриволоконных
брэгговских отражающих решеток позволили формировать брэгговские зеркала, образующие резонатор непосредственно в волоконных световодах, и реализовать широкий набор лазерных конфигураций в чисто волоконном исполнении. Все это привело к
бурному развитию волоконных лазеров.
Понятие «волоконные лазеры» охватывает чрезвычайно широкий круг лазерных конфигураций, характеризующихся различными масштабами выходной мощности, а также спектральными и
временными характеристиками выходного излучения.
Классификация волоконных лазеров по уровням выходной
мощности выглядит достаточно условной, отражая особенности
схемы построения лазера. Так, в лазерах малой выходной мощности используется накачка в сердцевину световода. Это накладывает
ограничения на параметры полупроводникового источника накачки, который должен иметь размер излучающей области 5. . . 10 мкм.
При этом мощность накачки не превышает сотен милливатт, поэтому характерная выходная мощность таких лазеров находится в
диапазоне значений 10−1. . . 102 мВт. Среди этих устройств можно
выделить волоконные лазеры, излучающие в одной продольной
моде с шириной линии около 20 кГц.
Разработка мощных полупроводниковых источников с широкой
излучающей областью позволила приступить к созданию непрерывных волоконных лазеров средней мощности — от сотен милливатт до десятков ватт. В основе таких устройств лежат волоконные
световоды с двойной оболочкой и сердцевиной, легированной активной примесью. Обычно в лазерах средней мощности в качестве
отражателей используются брэгговские решетки, при этом объемные элементы в схеме лазера отсутствуют и нелинейно-оптические
явления в резонаторе, как правило, не возникают. В таких лазерах
не требуется принимать специальные меры для предотвращения
лучевого пробоя материала световода. Условная верхняя граница
выходной мощности подобных устройств составляет несколько десятков ватт в одной поперечной моде.

4

1. СВЕТОВОДЫ

1.1. Отражение и преломление света

Важнейшим оптическим параметром материала является его
показатель преломления. По волновой теории света показатель
преломления материала n выражается через отношение скорости
света в вакууме с к скорости света в среде данного материала u:

n = с/u
(1..1)

или оптической длины волны в вакууме λв к длине волны в материале λм:
n = λв/λм.
(1..2)

Поскольку n > 1 для всех известных веществ, свет распространяется в материале медленнее, чем в вакууме.
Типичные значения показателей преломления материалов, используемых в оптоволокне, приведены в табл. 1.

Таблица 1
Показатели преломления материалов, используемых в оптоволокне

Материал
Длина волны
в вакууме, нм
Показатель
преломления
Длина волны
в материале, нм

Стекло

850
1,4525
585,5

1300
1,4469
898,5

1550
1,4440
1073,4

GaAlAs
850
3,6
236,1

Пластик
650
1,4. . . 1,5
433. . . 464

5

Из формул (1.1), (1.2) и значений, приведенных в табл. 1, следует, что показатель преломления стекла изменяется в зависимости
от его состава.
Основные понятия, используемые при обсуждении механизма преломления, иллюстрирует рис. 1.1, а, б, в. Во всех случаях
граница раздела проходит между двумя средами с показателями
преломления n1 и n2, причем n1 > n2.
Рассмотрим случай преломления светового луча при переходе
из одной среды в другую (см. рис. 1.1, а). Углом падения называется угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред и
падающим лучом Θ1. На границе раздела часть света отражается
обратно (отражение Френеля). Углом отражения называется угол
между перпендикуляром к границе раздела двух сред и отраженным лучом. Оставшаяся часть света пересекает границу раздела,
образуя преломленный луч, который распространяется под углом
Θ2. Согласно закону Снеллиуса, между углом падения и углом
преломления существует следующее соотношение:

n1 sin Θ1 = n2 sin Θ2.
(1..3)

Рис. 1.1. Отражение и преломление света на границе двух сред:
а – преломление светового луча при переходе из одной среды в другую; б –
падение луча под критическим углом; в – падение луча под углом больше критического

6