Непрерывные волоконные лазеры средней мощности

 

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 представлен на рис.а.

 

Рис 27. Модельный профиль преломления (а) и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера (б).

 

Внутренняя оболочка (вместе с внешней оболочкой) образует многомодовый световод, по которому распространяется излучение накачки. Она имеет типичный размер 0.1 - 1мм., 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 накачки в одномодовое излучение волоконного лазера иллюстрируется на рис.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). Для наиболее распространенного типа волоконных световодов с двойной оболочкой в качестве материала внешней оболочки используются полимеры с низким показателем преломления. В частности, это силиконовая резина, обеспечивающая числовую апертуру многомодового световода NA= 0.38, и тефлон AF, позволяющий увеличить NА до 0.6. Как правило, световоды с полимерным покрытием имеют внешний диаметр 100-З00 мкм. К недостаткам использования силиконового покрытия следует отнести высокий уровень оптических потерь для излучения накачки, который составляет 50 дБ/км и более. Использование тефлона позволяет получать световоды с оптическими потерями в оболочке 10 дБ/км. Кроме того, данный материал обладает высоким пропусканием в УФ части спектра, что позволяет записывать решетки без удаления полимера. Однако тефлоновое покрытие имеет малую толщину (10—20 мкм),что увеличиваетриск повреждения световода. Для обеспечения эффективной связи мод внутренней оболочки с активированной сердцевиной необходимо использовать волоконные световоды с некруглой формой внутренней оболочки, поскольку в противном случае большая доля мощности распространяется в модах, не пересекающих область сердцевины. Для определения эффективности поглощения в оптических волокнах с различной геометрией внутренней оболочки в работе рассматривалось несколько образцов, изготовленных из одной заготовки с сердцевиной, легированной иттербием. Данные световоды имели следующие форму и параметры внутренней оболочки: круглая (диаметром 125 мкм), D-образная с одной сошлифованной гранью (125 х 100 мкм), прямоугольная (150 х 75 мкм), квадратная (125 х 125 мкм). Для этих образцов было измерено поглощение в полосе иттербия для двух конфигураций: для прямых световодов и для световодов, изогнутых в форме восьмерки с радиусом изгиба 1 см.. Использование последней конфигурации должно было способствовать перемешиванию мод оболочки и увеличению поглощения в полосе Yb³⁺, если связь части мод оболочки с сердцевиной отсутствует для прямого оптического волокна. Из результатов измерений, представленных в табл., следует, что введение нерегулярного изгиба световода приводят к изменению поглощения только для образца с круглой формой внутренней оболочки, поэтому можно сделать вывод, что каждая использованная некруглая геометрия внутренней оболочки позволяет получить эффективность поглощения накачки, близкую к 100 %.

 

Влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в световоде, легированном ионами Yb³⁺.

Геометрия оболочки	Поглощение на λ=978 нм (дБ/м)
Прямое волокно	"восьмёрка"
Круглая	0.3±0.05 0.6±0.05
D-образная	2.2±0.05 2.2±0.05
Прямоугольная	3.5±0.05 3.5±0.05
Квадратная	3.3±0.05 3.3±0.05

 

D-образная форма выглядит наиболее простой для изготовления, поскольку требуется сошлифовка лишь одной грани заготовки. Однако сварка такого световода со световодом, имеющим круглую форму оболочки и используемым для изготовления брэгговских решеток, приводит к достаточно большим потерям в точке соединения из-за его асимметричной формы. Таким образом, оптимальной геометрией оболочки является квадратная форма, позволяющая добиться как высокой эффективности поглощения излучения накачки, так и малых оптических потерь при сварке с круглыми волокнами. Следует отметить, что можно использовать и другие геометрии оболочки, в частности шестигранную форму. Для ряда задач необходимо использовать активные световоды с малым диаметром внутренней оболочки (30-60 мкм), накачиваемые более яркими полупроводниковыми источниками. Применение световодов с полимерным покрытием вызывает трудности из-за слишком малого внешнего диаметра, который не допускает использования сварочных аппаратов для соединения с другими волоконными световодами. В этом случае можно применять волоконный световод с двойной оболочкой на основе кварцевых стекол разного состава, впервые реализованный в работе. В таком световоде в качестве внешней оболочки используется опорная труба из кварцевого стекла, а в качестве внутренней — кварцевое стекло с достаточно большим содержанием GeO₂. Недостатком этой конструкции является ограничение сверху числовой апертуры световода на основе внутренней оболочки из-за разрушения заготовки, обусловленного разностью коэффициентов термического расширения для материалов внутренней и внешней оболочек. Вероятность разрушения заготовки повышается при больших геометрических размерах осажденной оболочки. Поэтому на практике числовая апертура для излучения накачки составляет 0.2—0.25, что существенно ограничивает вводимую мощность накачки.

6.4 Иттербиевый волоконный лазер на основе световода с сердцевиной из высококонцентрированного Yb³⁺ - стекла

 

Световоды на основе кварцевого стекла, обычно используемые для мощных лазеров, имеют сердцевину, которая состоит из SiO₂ с добавками Al₂O₃ или P₂O₅ и легирована ионами иттербия до уровня порядка 10²⁰ см^-3. Более высокие степени легирования редкоземельными ионами могут быть достигнуты в стёклах иного состава, например в фосфатных. В данной работе исследовалась возможность создания иттербиевого волоконного лазера на основе фосфатных стёкол.

Преимуществом лазерных стёкол на фосфатной основе перед стёклами на силикатной основе является возможность введения в них редкоземельных ионов высокой концентрации (до 4.2*10²¹ см^-3) без заметного ухудшения технологических свойств стёкол и без формирования кластеров редкоземельных ионов, приводящих к сильному тушению люминесценции.

В состав стёкол, помимо Р₂О₅ (с массовой концентрацией ~60%) и окислов редкоземельных элементов (иттербия и лантана в стекле для сердцевины и оптически не активного иттрия в стекле для оболочки) вошли также Na₂O, K₂O, CaO, BaO, SiO₂ и B₂O₃.

 

Рис. 28 Экспериментальная схема.

 

Мощность излучения накачки введенного в активный световод, не превышала

1 Вт. В качестве активного элемента лазера использовался отрезок иттербиевого световода длиной 22 мм – длина выбиралась из условия полного поглощения излучения накачки. Поскольку температура размягчения ФС существенно ниже, чем кварцевого, из которого в основном состоит световод с БР, но эти два световода не сваривались, а просто состыковывались, т. е. параллельные торцы световодов подводились друг к другу на возможно меньшее расстояние (порядка нескольких микрон), которое определялось неидеальностью сколов торцов.

Пороговая мощность излучения накачки составляла ~ 140 мВт.

 

 

Рис. 29 Спектр выходного излучения иттербиевого лазера на волоконном световоде из ФС.

 

В схеме с БР на длине волны 975 нм при мощности излучения накачки 670 мВт на выходе Nd – лазера мощность генерации достигала 250 мВт, при этом непоглощенная мощность накачки составляла 125 мВт. Таким образом, по отношению к поглощенной мощности КПД был равен не менее 45 %, а дифференциальный КПД превышал 60 %. В расчётах КПД не учитывались оптические потери излучения и генерации в точке стыковки световодов, что занижает полученный результат.