Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Волоконные технологические лазеры

Покупка
Новинка
Артикул: 837408.01.99
Доступ онлайн
800 ₽
В корзину
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 пространственно-временные характеристики волоконных лазеров, работающих на редкоземельных элементах. Определены перспективы развития волоконных лазеров. Для студентов факультетов РЛ, МТ, изучающих лазерную технику и технологию.
Волоконные технологические лазеры : учебное пособие / Ю. В. Голубенко, А. В. Богданов, Ю. В. Иванов, Р. С. Третьяков. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2010. - 52 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2160951 (дата обращения: 23.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
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

Если угол падения Θ1 увеличивается, то при определенном
его значении преломленный луч полностью исчезает (Θ2 = 90o).
Такой
угол
называется
критическим
углом
скольжения
Θс
(см. рис. 1.1, б):
Θс = arcsin(n2/n1).
(1..4)

При углах, больших критического (см. рис. 1, в), свет полностью отражается и не проникает во вторую среду, а интенсивность
отраженного луча равна интенсивности падающего. Это явление
называется полным внутренним отражением.
При расчете характеристик реального распространения света
в оптоволокне используется числовая апертура NA. Эта величина тесно связана с условием полного внутреннего отражения и
волнового распространения света в оптоволокне. Она определяет
угловой растр входного конуса (рис. 1.2), соответствующего максимальному углу ввода света в оптоволокно:

NA = sin Θ,
(1..5)

где Θ — половина угла ввода.

Рис. 1.2. Входной конус при входе света в оптоволокно

Числовая апертура NA — важный технологический параметр,
так как чем больше значение NA, тем лучше свет вводится в оптоволокно. При малых значениях NA вводится достаточно узконаправленный луч света.

7

1.2. Устройство оптического волокна

Оптическое волокно (рис. 1.3) состоит из двух концентрических слоев: сердечника (ядра) и оптической оболочки, имеющих
показатели преломления соответственно n1 и n2. Ядро и оптическая оболочка могут быть изготовлены из одного материала (например, особо чистого кварцевого стекла), изменение показателя
преломления при этом достигается подбором специальных добавок, вводимых в чистый расплав кварца. Этот процесс называется
легированием. В качестве легирующего вещества чаще всего выступают оксиды германия (GeO2), фосфора (P2O5), бора (B2O3),
фтор (F), эрбий (Er) и неодим (Nd). В частности, фтор и оксид
бора уменьшают показатель преломления, а оксиды германия и
фосфора его увеличивают. Вокруг оптической оболочки в целях
предохранения от внешних воздействий, влияющих на оптические
свойства оптоволокна (влага, царапины, микротрещины), наносят
два слоя полимера (акрилат). Ядро оптоволокна также может быть
изготовлено из стекла, а оптическая оболочка из пластика (PCSоптоволокно). И, наконец, пластиковое оптоволокно имеет ядро и
оболочку из пластика.

Рис. 1.3. Структура оптического волокна

Показатель преломления сердечника n1 больше показателя преломления оптической оболочки n2. Разность показателей преломления невелика — порядка одного процента. Наиболее распространенные соотношения диаметров сердечника и оптической оболочки приведены ниже:

8

Сердечник, мкм
Оптическая
оболочка,
мкм
8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
62,5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
140

При указании значений этих величин для конкретного оптоволокна используют запись, в которой после численного значения
диаметра сердечника через символ « / » указывают значение диаметра оптической оболочки. Например, оптоволокно для сетевого
оборудования фирмы Hirschmann имеет маркировку 62,5/125.
При вводе света внутрь волокна под углом, большим критического, свет, испытывая полное внутреннее отражение, будет двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна. Лучи, при
движении пересекающие ось световода, называются меридиональными. Часть лучей, называемых косыми (асимметричными), будет
двигаться по спиралеобразной траектории, не пересекая ось волокна; при анализе волоконно-оптических процессов эту часть,
как правило, не рассматривают. Используемые материалы, состав
и размеры компонентов определяют физические параметры и особенности оптоволокна.
Под основными параметрами оптоволокна понимают профиль
показателя преломления, число мод, потери оптической мощности.

1.3. Профиль показателя преломления

Распределение значений показателя преломления вдоль диаметра поперечного сечения оптического волокна называют профилем показателя преломления. Различают оптические волокна со
ступенчатым профилем, когда сердечник и оптическая оболочка
имеют однородный (но разный) показатель преломления, и с градиентным профилем, когда показатель преломления сердечника
плавно уменьшается от центра к краям. У градиентных волокон
отсутствует резкое изменение показателя преломления на границе ядра и оптической оболочки, что характерно для ступенчатого
профиля. Чаще всего у градиентных световодов профиль показа
9

Рис. 1.4. Профили показателей преломления для одномодового
волоконного световода

теля преломления близок к параболе, такие световоды называют
параболическими.
Для оптимизации работы на какой-либо одной длине волны
используется и более сложная структура профиля (рис. 1.4).

1.4. Моды

Строгое рассмотрение уравнений Максвелла, определяющих
характер распространения света в оптоволокне, показывает, что в
волокне может распространяться ограниченное число типов электромагнитных колебаний, называемых модами. Каждая мода имеет
характерные для нее структуру электромагнитного поля, а также
фазовую и групповую скорость. Под фазовой скоростью понимают скорость перемещения фазы волны, а групповая скорость определяет скорость переноса энергии электромагнитной волной. Для
свободно распространяющихся электромагнитных волн обе ско
10

Доступ онлайн
800 ₽
В корзину