Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Волоконные лазеры 11
1.2. Поляризационные характеристики волоконных лазеров и усилителей 16
1.3. Исследование режима модуляции добротности волоконных лазеров 20
1.4. Иттербиевые волоконные лазеры 21
1.5. Постановка задачи 28
Глава.2. Экспериментальное исследование поляризационной динамики излучения иттербиевого волоконного лазера с двойной оболочкой 29
2.1. Экспериментальная установка 29
2.1.1. Структура иттербиевого волокна 29
2.1.2. Схема экспериментальной установки 30
2.2. Экспериментальное исследование поляризации излучении волоконного лазера 31
2.2.1. Влияние мощности накачки 31
2.2.2. Влияние длины световода, легированного ионами 37
2.2.3. Влияние нагрева на переключение поляризации излучения
иттербиевого волоконного лазера с двойной оболочкой 37
2.3. Выводы 39
Глава.3. Теоретическое исследование поляризационной динамики излучения иттербиевого волоконного лазера с двойной оболочкой 40
3.1. Феноменологическая модель волоконного лазера с двумя ортогонально линейно-поляризованными модами 40
3.1.1. Стационарное распределение населенности в отсутствие лазерного излучения в иттербиевом волоконном лазере 43
3.1.2. Пространственное распределение интенсивности накачки в отсутствие лазерного излучения в иттербиевом волоконном лазере .45
3.2. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов 48
3.3. Выводы 60
Глава.4. Поляризационные характеристики иттербиевого волоконного усилителя 61
4.1. Теория поляризационной чувствительности волоконного усилителя...61
4.2. Расчет поляризационно-нечувствительного усилителя 62
4.2.1. Условие поляризационной нечувствительности 62
4.2.2. Использование нагрева для получения поляризационной нечувствительности 64
4.3. Выводы 66
Глава.5. Генерация гладких микросекундных импульсов в иттербиевом волоконном лазере с двойной оболочкой 67
5.1. Экспериментальная установка 67
5.2. Результаты эксперимента 68
5.3. Динамические уравнения модуляции добротности иттербиевого волоконного лазера с двойной оболочкой 72
5.4. Анализ и обсуждение результатов 78
5.5. Выводы 82
5.6. Заключение 83
Литература 85
- Поляризационные характеристики волоконных лазеров и усилителей
- Экспериментальное исследование поляризации излучении волоконного лазера
- Пространственное распределение интенсивности накачки в отсутствие лазерного излучения в иттербиевом волоконном лазере
- Использование нагрева для получения поляризационной нечувствительности
Введение к работе
Волоконными называются лазеры, активной средой которых являются волоконные световоды, легированные ионами ряда редкоземельных элементов, главным образом Nd3+, Er3+, Yb3+, и дрД1,2]. Одним из направлений современной лазерной физики является разработка и исследование волоконных лазеров.
Волоконные лазеры, как представители третьего поколения лазерной техники, обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными лазерами, к числу которых относятся следующие: эффективный теплоотвод; эффективность накачки; высокие стабильность и надежность лазера; компактность и малый вес. Эти преимущества позволяют волоконным лазерам не только находить свою нишу в ряде применений, но и в некоторых случаях заменять традиционные лазеры.
Впервые волоконный лазер был реализован Снитцером в 1961 году, когда была продемонстрирована лазерная генерация в стекле, легированном ионами Nd3+ [3]. Создание и бурный прогресс современных высоко-эффективных и компактных волоконных лазеров связаны с развитием технологии получения волоконных световодов и с появлением мощных полупроводниковых источников накачки, которые стимулируются бурным развитием волоконно-оптической связи. Последнее обстоятельство стало решающим фактором в разработке и промышленном производстве долгоживущих и высокоярких лазерных диодов и целого набора специальных волоконных световодов. Среди них - световоды, легированные редкоземельными элементами.
Впервые волоконный световод, легированный ионами эрбия, в качестве волоконных усилителей сигнала на длинах волн в диапазоне 1,53-1,56мкм, был продемонстрирован Д.Пэйном в 1987 году [4]. Эрбиевый волоконный усилитель (EDFA) обладает сочетанием уникальных свойств (непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно; возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн; низкий уровень шума; минимальные оптические потери
5 световодов на основе кварцевого стекла [5]), обеспечивающих быстрое их внедрение в системы дальней связи.
Разработка и применение волоконных усилителей позволили перейти к созданию нового поколения волоконно-оптических линий связи. Это привело к использованию специальных волоконных световодов в качестве активной среды лазеров. Кроме того, исследования в области волоконно-оптических усилителей послужили толчком для совершенствования полупроводниковых источников накачки.
В последнее десятилетие технология накачки в оболочку революционизировала волоконный лазер, увеличив выходную мощность с величины менее 1Вт при традиционной накачке в сердцевину до величины 100Вт [6], и даже более, до величины примерно 1кВт [7-14]. Очевидно, для того чтобы дальше повысить выходную мощность, нужно оптимизировать все элементы волоконного лазера и системы накачки. Это особенно верно в тех случаях, когда требуется одномодовое лазерное излучение. В основе таких устройств лежит использование волоконных световодов с двойной оболочкой и сердцевиной, легированной активной примесью ряда редкоземельных элементов. Наиболее распространенной легирующей добавкой для таких световодов являются ионы иттербия Yb3+ и неодима Nd3+.
Впервые волоконный лазер, легированный ионами иттербия, был продемонстрирован Етезелом в 1962 году [15], но сначала внимание исследователей было обращено на лазеры с примесью ионов Nd3+. Дело в том, что неодимовый волоконный усилитель (NDFA) работает по четырехуровневой схеме, а иттербиевый волоконный усилитель (YDFA) - по трёх- или квазитрёхуровневым схемам. Однако, YDFA обладает более высокой эффективностью преобразования электрической энергии в оптическое излучение и наибольшей выходной мощностью. Поэтому в настоящее время YDFA наиболее привлекательны для практического применения.
Иттербиевые волоконные лазеры представляют большой практический интерес не только как самостоятельные источники лазерного излучения, но и
как мощные источники накачки для ВКР-лазеров [16] и усилителей [17,18], в частности, для накачки двухволновых ВКР-источников [19].
Волоконные лазеры, работающие в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности при непрерывной накачке полупроводниковыми лазерными диодами, также могут найти широкое применение в оптической связи, локации, медицине, обработке материалов и пр.[20].
Волоконные лазеры отличаются от лазеров с объёмными резонаторами существенно большей длиной резонатора, достигающей десятков метров. Это определяет большое время затухания поля в резонаторе и некоторые особенности динамики генерации. Большая длина резонатора позволяет реализовать в волоконных лазерах импульсные режимы генерации с относительно большой длительностью импульсов. Отметим, что получение генерации в импульсном режиме с микросекундной длительностью в обычных лазерах требует применения специальных систем отрицательной обратной связи или сложных алгоритмов включения добротности резонатора.
Следует отметить, что до 2002 года отсутствовали исследования динамики поляризации излучения иттербиевого волоконного лазера с двойной оболочкой. Исследование поляризационной динамики излучения иттербиевого лазера помимо чисто научной цели - изучения нового класса сложных динамических систем, имеет сугубо практическое значение: установление механизмов деполяризации излучения и их устранение, т.к. разработка волоконных лазеров большой мощности с линейно поляризованным выходным излучением позволяет увеличить эффективность работы ВКР-преобразователей и усилителей.
Поляризационные свойства активных волоконных световодов оказывают существенное влияние на поляризацию выходного излучения [21]. Изучение поляризационно-зависимого насыщения имеет большое прикладное значение по нескольким причинам: во-первых, поляризационные характеристики волоконных усилителей существенно влияют на качество работы волоконно-
7 оптических линий связи (ВОЛС), а во-вторых, они оказывают определяющее влияние на поляризационные характеристики волоконного лазера.
В отличие от большинства волоконных лазеров, в которых наблюдается одновременная стационарная генерация двух ортогонально поляризованных мод [21,22,23], недавно в работе [24] был обнаружен режим самопроизвольного переключения поляризационных мод. Однако механизм переключения в этой работе установлен не был.
Экспериментально прямые измерения поляризационно-зависимого насыщения усиления в иттербиевом волоконном усилителе проводились лишь в одной работе [24]. В данной работе был обнаружен аномальный эффект -отрицательная величина поляризационно-зависимого насыщения (PDG). В неодимовых и эрбиевых усилителях наблюдается нормальное поведение PDG [24,25].
Таким образом, актуальность работы определяется следующим:
Потребностью в изучении механизма переключения поляризации в иттербиевых лазерах и необходимостью более детального исследования факторов, влияющих на переключение поляризации излучения.
Потребностью в теоретическом обосновании аномальных поляризационных характеристик иттербиевого усилителя.
Потребностями в изучении характера формирования излучения в иттербиевом лазере при модуляции добротности.
Цель диссертационной работы состоит в установлении механизма самопроизвольного переключения поляризации иттербиевого волоконного лазера; разработке теоретической модели для описания поляризационных характеристики иттербиевого волоконного лазера и усилителя; и экспериментальной реализации и теоретическом исследовании генерации гладких линейно поляризованных импульсов микросекундной длительности.
Достоверность полученных результатов обеспечена тщательностью проведения экспериментов с использованием современного экспериментального оборудования, применением компьютерной обработки
8 результатов измерений, совпадением результатов численного моделирования с экспериментальными данными и корректным выбором физической и математической модели, используемой в численном эксперименте. Научная новизна диссертационной работы;
Разработана теоретическая модель, объясняющая механизм переключения поляризации иттербиевого волоконного лазера.
Детально исследованы поляризационные характеристики иттербиевого волоконного лазера, определены области существования различных динамических режимов генерации.
Объяснена причина аномальных поляризационных свойств иттербиевых волоконных усилителей.
Определены условия получения гладких линейно поляризованных импульсов микросекундной длительности в иттербиевых волоконных лазерах.
Практическая ценность диссертационной работы определяется следующим:
Установление механизма переключения поляризации может быть использовано для разработки волоконных лазеров с управляемой поляризацией излучения. Такие лазеры могут найти многочисленные применения в оптической связи, медицине и диагностике.
Реализованная конфигурация импульсного лазера может быть использована для применения в медицине и дистанционной диагностики воздушных и водных сред.
Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты и результаты численных экспериментов получены лично автором.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения:
В главе 1 проведен обзор опубликованной литературы по волоконным лазерам и волоконным световодам, легированным ионами иттербия. Подробно описаны спектральные свойства и структура энергетических уровней ионов иттербия в кварцевом волоконном световоде. Рассмотрены основные методы
9 модуляции добротности волоконного лазера. Также рассмотрены поляризационные характеристики волоконных сведоводов.
Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований эффекта самопроизвольного переключения поляризации волоконного лазера с двойной оболочкой. Изучено влияние нагрева, изменения мощности накачки и длины активного световода на поляризационные характеристики иттербиевых волоконных лазеров.
Поляризационные характеристики волоконных лазеров и усилителей
Обсуждая возможности практического применения явления поляризационной неустойчивости и мультистабильности, отметим, что в поляризационных устройствах управления света светом кодировка информации (сигнала) осуществляется состоянием поляризации света, т.е. за счет фазовой модуляции. Поляризационная модуляция в оптике в ряде случаев имеет серьезные преимущества перед амплитудной. Во-первых, благодаря более высокому контрасту изменения информационного сигнала при переключении из одного устойчивого состояния в другое. Во-вторых, благодаря возможности созданий аналогичного фазовым многоуровневым форматам многоуровного поляризационного формата модуляции. В-третьих, благодаря возможности переключения поляризации без потерь интенсивности волны, что открывает путь для построения сложных каскадных логических устройств, не нуждающихся в промежуточных усилителях света [47].
В линейной оптике поляризация электромагнитной волны в веществе не зависит от интенсивности света и однозначно связана с поляризацией излучения, падающего на границу раздела воздуха - исследуемой среды. Волны определенного типа поляризации, соответствующего типу симметрии среды, не изменяют поляризационных параметров.
Картина кардинально меняется в нелинейной оптике, когда коэффициенты преломления и поглощения вещества становятся функциями интенсивности излучения. В последние годы одним из объектов пристального изучения стали поляризационная мультистабильность и поляризационный хаос «во времени» [47,48,49].
Большая длина резонатора, широкие линии усиления, хаотическая ориентация активных центров и двулучепреломление волоконных световодов определяют сложную динамику генерации волоконных лазеров. Существуют волоконные световолы, в которых сильная анизотропия создается искусственно для поддержания линейной поляризации излучения. Такой тип волокна называется поддерживающим поляризацию волокном. В самом распространенном, телекоммуникационном волокне двулучепреломление имеет случайное происхождение, обусловленное несовершенством процесса его изготовления или деформациями, возникающими при монтаже. Нелинейные эффекты в волоконных световодах могут приводить к сильным изменениям поляризации выходного излучения.
Для ряда важных с практической точки зрения применений ОВ, например волоконных интерференционных датчиков (волоконные гироскопы, датчики тока) важно контролировать состояние поляризации света на выходе волокна. Поскольку «обычные» волокна, применяемые в связи, не позволяют сохранять состояние поляризации, были разработаны специальные «поляризационные» типы ОВ. Наиболее распространенным типом таких волокон является так называемые HiBi (high biefriengence) волокна, т.е. ОВ с высоким линейным внутренним двулучепреломлением (ДЛП) на уровне 10 или больше. Принцип их работы, основные свойства и методы изготовления хорошо описаны в обзоре [50].
В работе [51] экспериментально наблюдали поляризационную неустойчивость в одномодовом волоконном световоде. Интересная ситуация возникает при комбинации двулучепреломления и гиротропии. Было показано [52], что изменение поляризационных параметров мощной световой волны носит исключительно сложный характер. Стабилизация поляризационных состояний, вызванная кручением в волоконных световодах с линейной, нелинейной и случайной связью между поляризационными модами исследовалась в работе [53].
Нелинейной оптике двулучепреломляющих волоконных световодов с периодической модуляцией коэффициентов преломления посвящена работа [54]. В таких системах в ряде случаев возможен поляризационный хаос. В работах [55,56] экспериментально и теоретически исследована динамика неодимового волоконного двухполяризационного лазера с резонатором типа резонатора Фабри-Перо. Активной средой лазера служит кварцевое волокно длиной 5м, активированное ионами неодима. Показано, что состояние поляризации накачки влияет на отношение интенсивностей поляризационных мод. В спектре флуктуации интенсивности каждой поляризованной моды обнаружены три релаксационных пика. Наблюдаемые экспериментально низкочастотные релаксационные колебания волоконного лазера соответствуют фазочувствительному взаимодействию ортогонально поляризованных мод. Данные теоретические модели позволяют объяснить основные особенности динамического поведения неодимового волоконного лазера: зависимости характеристик выходного излучения от поляризации накачки, наличие резонансных пиков, соответствующих противофазным релаксационным колебаниям, в спектрах мощности поляризационных мод и их отсутствие в спектре флуктуации полной интенсивности.
В работе [57] проанализирована быстрая внутрирезонаторная динамика эрбиевого волоконного лазера в кольцевом резонаторе. Наблюдались два различных типа поляризационной динамики: квазипериодический режим и хаотический. При тщательной настройке контролера обычно проявляется антифазное поведение поляризационных мод. Большинство динамических моделей, описывающих поведения лазеров с двумя поляризациями, базируются на ряде упрощающих предположений относительно свойств мод. В частности, предполагается, что собственные моды резонатора имеют ортогональные эллиптические поляризации [58,59]. Такие модели могут объяснить противофазные колебания интенсивности ортогонально поляризованных мод в волоконном лазере. Модели, описывающие поведение многоканальных твердотельных лазеров, базирующиеся на взаимодействии каналов генерации через насыщение инверсной населенности соседних каналов, могут объяснить характеристики стационарных режимов генерации таких лазеров [60]. Однако модели, построенные на этих предположениях, не могут объяснить недавно обнаруженный режим самопроизвольного переключения поляризационных мод [24].
В волоконном усилителе коэффициент усиления для сильного компонента из двух ортогональных состояний поляризации поля меньше, чем коэффициент усиления для слабого компонента, так как сильный поляризационный компонент испытывает большее насыщение усиления. Разность коэффициента усиления этих двух ортогональных поляризационных состояний называется поляризационно-зависимым усилением (PDG) [61,62,63,64].
Экспериментальное исследование поляризации излучении волоконного лазера
В работе [81] измерены спектральные зависимости сечений поглощения и люминесценции ионов Yb на переходе ( Fs/2)i-( $т)\ в стекле ZBLANP (51,8% ZrF4, 19,5% BaF2, 4,7% LaF3, 3,2% A1F3, 18,3% NaF, 2,5% PbF2, 1% YbF3) при области изменения температуры 10-ЗООК. При этом однородная ширина линии изменяется как (12±2)хТ(1 9±0 1) МГц для испускания и (\0±1) 1 9±0 1) для поглощения, а неоднородная ширина линии почти не зависит от температуры.
Широкий спектр поглощения позволяет в широких пределах изменить длину волны накачки. В качестве накачки иттербиевых волоконных лазеров могут использоваться хорошо разработанные полупроводниковые диоды AIGaAs и InGaAs, титан-сапфировые лазеры, Nd:YLF лазеры и Nd:YAG лазеры [82]. Как видно из рис.5, на длине волны 975нм ионы Yb обладают наибольшим поперечным сечением поглощения, поэтому, обычно, именно эта длина волны используется для накачки иттербиевых лазеров.
Широкий спектр поглощения и излучения Yb позволяет сблизить длины волн накачки и генерации, что также способствует повышению эффективности работы лазера. Впечатляющий прогресс в области волоконных решеток Брэгга привел к тому, что появилась возможность получения узкой линии на любой дискретной длине волны от 975нм до 1200нм. Причем с помощью температурной настройки решетки можно перестроить длину волны на 1% [71]. Иттербиевые лазеры обладают очень большим временем жизни верхнего лазерного уровня: 1мс, что облегчает получение инверсной населенности. Сообщение о поведении лазеров с примесью иона иттербия впервые было опубликовано в 1962 году [15]. Но до последнего времени, считалось, что наиболее важную роль ион Yb3+ играет как сенсибилизирующий ион, поглощая фотоны накачки в очень широком спектральном интервале и затем, передавая возбуждение в акцепторный ион, например Ег3+ или Сг3+, которые представляют собой активные лазерные ионы [69,83,84,85,86]. В работе [69] была продемонстрирована возможность получения коротких и мощных импульсов с помощью лазера на основе волокна, легированного ионами Er /Yb3"1". В системе использовался акустооптический модулятор. Добавление ионов Yb увеличило поглощение накачки на 2 порядка. Это позволило получить высокую пиковую выходную мощность в импульсно-периодическом режиме с частотой 500 Гц.
В последнее время интерес к иттербию как к активному лазерному иону значительно вырос. Индуцированное излучение трёхвалентных ионов иттербия уже получено в Yb3+:YAG лазере, во фторидных лазерах (например, S PO F, Ca5-xSrx(P04)3F), в кремниевом волокне. До настоящего времени продолжается поиск новых активных сред с примесью ионов Yb3+. В работе [87] исследованы характеристики накачки и усиления кристалла S PO F (Yb:FAP) с примесью ионов иттербия Yb . Для накачки кристалла Yb:FAP использовался лазер CnLiSAF с генерацией на длине волны 900нм. Получены сечения поглощения 6,0х10"20см2 для ж - поляризации и 1,5х10"20см"2 для о - поляризации. Время жизни возбуждения при этом достигало 1,7мс. При интенсивности насыщения накачки, равной 2,2дж/см, получен пик выходного излучения усилителя Yb:FAP на 1047,5нм. почти совпадающий с пиком излучения Nd:YLF. Это позволяет использовать Yb:FAP для накачки Nd:YLF лазера.
Иттербиевые лазеры в настоящее время являются наиболее распространенным типом волоконных лазеров средней и высокой мощности с накачкой в оболочку. В работе [88] разработан иттербиевый волоконный световод с двойной оболочкой, и создан на его основе высокоэффективный цельноволоконныи лазер с диодной накачкой. Низкий уровень дополнительных оптических потерь в иттербиевом световоде, высокий коэффициент отражения брэгговской решетки и малые потери при сварке активного и фоточувствительного световодов позволили достичь дифференциальной квантовой эффективности лазера 90%.
С помощью рамановского преобразования излучения волоконного лазера на основе иттербиевых активных световодов с двойной оболочкой можно получить мощные волоконные источники излучения с длиной волны Л=1,22-1,34мкм, которые могут найти применение в волоконно-оптической связи, обработке материалов, спектроскопии, медицине и других областях. В работе [16] рассмотрены пути увеличения эффективности работы иттербиевого волоконного лазера с двойной оболочкой, представлены результаты измерений поглощения накачки в зависимости от длины волны накачки и концентрации активных ионов, сравнительные характеристики различных материалов, использующихся при создании легированных волокон.
В работе [89] использовался Yb волоконный лазер с самомодуляцией добротности. Для накачки волоконного лазера использовался полупроводниковый излучатель. Он позволял вводить излучение мощностью около 6Вт на длине волны 976нм в волоконный световод диаметром ЮОмкм. Исследование подтвердило, что легированные ионами Yb3+ волоконные световоды с накачкой в оболочку могут быть использованы в схемах мощных импульсных волоконных лазеров. Реализованный лазер имеет максимальную среднюю выходную мощность 1,4Вт и импульсную 5кВт. Но он не обладает возможностями широкой перестройки параметров выходного импульса.
В работе [90] была продемонстрирована возможность получения мощных широкополосных импульсов с помощью иттербиевого волоконного лазера, с использованием полупроводникового лазера как источника накачки. С помощью модуляции добротности были получены лазерные импульсы пиковой мощностью 2,8Вт.
Таким образом, использование иона иттербия в качестве активной примеси открывает возможность создания эффективных, компактных волоконных лазеров для широкого диапазона длин волн.
Не смотря на большое количество работ, посвященных изучению характеристик иттербиевых лазеров, их поляризационные свойства оставались практически не исследованными. Более того, существовали противоречивые данные о характере поляризационной динамики в иттербиевых лазерах: в иттербиевом волоконном лазере были обнаружены как режим самопроизвольного переключения поляризации [23], так и режимы стационарной генерации [22]. В иттербиевом усилителе был обнаружен аномальный эффект - отрицательная величина поляризационно-зависимого насыщения (PDG) [24]. Эти эффекты определяют необходимость более детального исследования характеристик поляризации иттербиевых лазеров и усилителей.
Пространственное распределение интенсивности накачки в отсутствие лазерного излучения в иттербиевом волоконном лазере
На рис.17 и рис.18 изображены фазовые диаграммы модели лазера, полученные путем численного решения уравнений (3.1.2). В области 1 устойчивы только стационарные нулевые решения. В области 2 имеет место генерация одной поляризации, процесс имеет вид пичков, следующих через примерно одинаковые промежутки времени, но с хаотически меняющейся амплитудой. Выбор конкретного решения зависит от исходных параметров. В области 3 все стационарные решения неустойчивы. В этой области имеет место явление переключения поляризации. При фиксированной мощности накачки период между двумя последовательными переключениями не изменяется. С увеличением мощности накачки период переключений уменьшается (рис.12). Отметим, что если в системе уравнений (3.1.2) учитывать вклад спонтанного испускания в излучение генерации, то период между двумя последовательными переключениями изменяется случайно (рис.116). В области 4 устойчивы только стационарное решение (Зг). поляризации; 4 - область стационарной двухмодовой генерации
На рис.17 приведена фазовая диаграмма модели лазера в плоскости управляющих параметров 5 и А. Из рисунка видно, что при условии, когда в «пассивном» волокне коэффициенты кросс-насыщения 5 превышают коэффициенты самонасыщения у (=3), одновременно генерируются две ортогональные компоненты излучения; а при 5«у, одновременно генерируется только одна компонента излучения; в случае, когда коэффициенты самонасыщения у незначительно превышают коэффициенты кросс-насыщения б, между двумя ортогональными компонентами излучения существует сильная конкуренция, что препятствует одновременной генерации двух компонент излучения.
Из рисунка 18 следует важность величины ненасыщенного поглощения тю, т.е. зависимость от температуры поляризационной динамики излучения. При повышенной температуре легче получить режим переключения поляризации. Влияние нагрева на динамику волоконного лазера определяется изменением исходной разности А0 (mj0) населенности подуровней.лазерного нижнего уровня иона Yb в зависимости от температуры. Из рис.18 следует, что при увеличении температуры увеличивается населенность лазерного нижнего уровня, что приводит к изменению величины поглощения излучения (ГПІО).
На рис.20 приведено теоретическое пространственное распределение инверсии населенности в отсутствие генерации в иттербиевом волоконном лазере с двойной оболочкой при разных мощностях накачки и при комнатной температуре. Численный эксперимент показывает, что режим переключения поляризации сильно зависит от относительной длины активного световода, т.е. от мощности накачки: с увеличением накачки усиливающая область световода увеличивается, а поглощающая область световода уменьшается. Поэтому при достаточно больших мощностях накачки режимы переключений не наблюдаются и устанавливаются стационарные двунаправленные режимы генерации.
На рис.21 показана теоретическая зависимость коэффициента поглощения от мощности накачки при разных температурах. Как видно из рисунка 21, при увеличении температуры увеличивается поглощение в «пассивной» части волокна, что приводит к уменьшению среднего коэффициента усиления и увеличению порога генерации. В то же время увеличивается область переключения поляризации. (1). порог генерации (2). область "одномодовой" генерации (3). область переключения поляризации (4). область "двухмодовой" генерации
На рис.22 изображена зависимость коэффициентов поглощения В (= тю=т2о) от мощности накачки при разных длинах волокна. Из рис.22 следует, что при комнатной температуре в лазере с активным элементом длиной Юм существует только режим двухмодовой генерации, при большей длине, а именно, при 20м, появилась область переключения поляризации. С увеличением длины активного волокна (30м) область переключения поляризации увеличилась.
Теоретическая зависимость коэффициентов поглощения (тщ=т2о) от мощности накачки при разных длинах волокна. Штриховкой выделены области переключения поляризации
Использование нагрева для получения поляризационной нечувствительности
В ходе эксперимента исследовался иттербиевый волоконный лазер с двойной оболочкой в режиме периодически активной модуляции добротности в диапазоне частот работы акустооптического модулятора от 15 до 50кГц.
На рис.30 представлена типичная осциллограмма генерируемых импульсов в режиме модуляции добротности Римп., полученная с помощью цифрового двухканального запоминающего виртуального осциллографа типа АСК-3151. Измерения показали, что длительность импульса генерации в режиме модулированной добротности на уровне макД составляла 2мкс. Из рис.ЗО(в) следует также, что имеет место большая временная задержка импульса (длительностью порядка Юмкс) относительно момента выключения АОМ.
Помимо частоты работы модулятора, в эксперименте менялась скважность подаваемых на АОМ импульсов. При этом оказалось, что время задержки импульса tdei зависит от промежутка времени, в течение которого АОМ выключен твыкл. На рис.31 приведен соответствующий график. Из него видно, что задержка меняется в пределах 10,5-17,5мкс.
И, наконец, на рис.32 приведена экспериментально полученная зависимость отношения РИМп/Рнепр от частоты (Римп. - максимальная импульсная мощность в режиме модуляции добротности при непрерывной накачке, Р„епр. -мощность генерации лазера в непрерывном режиме без внешнего зеркала при той же накачке). Из рис.32 следует, что в диапазоне частот от 15 до 50кГц пиковая мощность импульса, которая по нашим оценкам составляла 0,5Вт, может быть увеличена в 5-15раз по сравнению с мощностью исходного лазера в непрерывном режиме.
Для описания импульсно-периодического режима работы лазера с модуляцией добротности при непрерывной накачке обычно используются скоростные уравнения. В настоящей работе рассмотрен импульсно-периодический режим работы лазера при непрерывной накачке с такой модуляцией добротности, период повторения которой Т намного меньше времени жизни верхнего уровня т. Принцип работы лазера с модуляцией добротности состоит в следующем: добротность резонатора лазера снижается (т.е. потери увеличиваются) на время накачки с тем, чтобы коэффициент усиления возрос до очень большого значения, но не превзошел нового порога генерации. В этот период времени активная среда накапливает энергию. Когда инверсная населенность достигает своего максимального значения, добротность резонатора быстро восстанавливается до высокого прежнего значения. При этом усиление оказывается намного выше порогового, что приводит к быстрому возрастанию поля излучения и одновременному сбросу инверсии вследствие индуцированных переходов. В итоге значительная часть энергии накачки, запасенной возбужденными атомами, преобразуется в энергию фотонов, заполняющих резонатор.
При импульсно-периодическом режиме выходное излучение лазера представляет собой непрерывный цуг световых импульсов, а инверсная населенность периодически изменяется от начальной величины Nt (перед включением добротности резонатора) до некоторой величины N/ (после излучения импульса). Затем с помощью накачки восстанавливается то значение инверсии населенности JV,, которое она имела до включения добротности резонатора. Рассмотрим иттербиевый волоконный лазер, работающий по квазитрёхуровневой схеме и имеющий для простоты лишь одну полосу поглощения накачки. На рис.4 показана схема уровней энергий иттербиевого -волоконного лазера. Накачка идёт с нижнего уровня а на верхний уровень д, инверсная населенность образуется между уровнями див. Будем считать, что лазер генерирует только на одной моде резонатора, что спектр индуцированного излучения много уже ширины линий. В этом случае интенсивность излучения можно выразить формулой I(V)=I3(V-VQ), И вероятность индуцированного перехода определится соотношением W2I=02I(DO)L Таким образом, мы имеем следующие скоростные уравнения: где Dp и и5-частоты накачки и излучения, соответственно, /г-постоянная Планка; No, N1, N2 - населенности трёх энергетических уровней а,в,д, соответственно; N,- полное число активных атомов в 1см3 вещества, ари оа -поперечные сечения поглощения на частоте накачки и излучения, соответственно, ае - поперечное сечение вынужденного перехода на частоте Распространённые уравнения, описывающие процессы поглощения и излучения в активной среде, выражаются следующем образом, Вероятность перехода с уровня в на уровень а достаточно велика. Так что на уровне в не происходит накопления частиц, т.е. Ni«N0, dNj/dt O, поэтому плотность инверсной населенности AN N2. Мы получаем. где W„ = —-- - скорость накачки, т - время релаксации верхнего уровня. V -hvp объём моды в резонаторе, P=VI/chv - полное число фотонов в резонаторе. Строгое решение этих уравнений сопряжено со значительными математическими трудностями, поэтому представляет интерес использование приближенных методов решений. Один из таких методов состоит в усреднении уравнений по длине активного образца, что дает возможность от уравнений в частных производных перейти к обыкновенным дифференциальным уравнениям. Мы сделаем предположение, что изменения функций / и AN на длине образца малы по сравнению с самими функциями.
