Введение к работе
Актуальность
В настоящее время наблюдается тенденция к расширению применения лазеров в различных областях науки, техники, медицины, которая требует решения важной научной проблемы, заключающей в себе изучение возможностей управления параметрами и характеристиками лазерного излучения. Одним из важных направлений в решении этой проблемы является разработка и исследование лазерных волоконно-оптических систем, в рамках которого выполнена данная диссертационная работа.
Применение элементов волоконной оптики для разработки новых лазерных систем обосновано преимуществами волоконных световодов (ВС) перед объемными оптическими средами; в частности, высокой механической прочностью при небольшой толщине свето-ведущей сердцевины (от единиц до сотен микрометров) и низкими потерями света при значительных длинах световодов (до тысяч метров и более). Благодаря малой толщине световода слабое управляющее воздействие, оказываемое на него, позволяет эффективно изме: нять характеристики канализируемого им излучения. Малые поперечные размеры и большая длина ВС обеспечивают реализацию высокой плотности мощности и-большой длины фазового согласования канализируемых им световых волн, соответственно. Поэтому в ВС легко осуществляются нелинейные преобразования.
К настоящему времени в указанном научном направлении достаточно полно изучены следующие вопросы: изменение характеристик генерируемого излучения за счет нелинейных эффектов в ВС при их внешней накачке излучением твердотельных лазеров; селекция спектрального состава лазерного излучения посредством волоконных интерферометров; изменение характеристик излучения полупроводниковых лазеров (ППЛ) с резонаторами различных типов и при их стыковке с внешними резонаторами. В то же время влияние конструктивных и оптических параметров ВС на характеристики лазерного излучения в волоконных резонаторах и световодах, а также особенности преобразования в ВС спектральных и поляризационных характеристик распространяющегося по ним лазерного излучения исследованы недостаточно. Требуют изучения возможности использования адаптивных свойств лазерных систем для создания датчиков различных физических величин. Поэтому исследования закономерностей влияния свойств ВС на характеристики распространяющегося
"I
в них лазерного излучения, проводимые в диссертационной работе являются актуальными.
Связь работы с крупными научными программами, темами
Выполнение диссертационной работы связано с программой "Исследование физических закономерностей и процессов формирование волоконных световодов из сверхчистого кварцевого стекла, полученно го по золь-гель технологии, и построение на их основе волоконных лазеров и усилителей (Электроника 11)", выполняемой в рамках Планв важнейших научно-исследовательских работ в области естественных технических и общественных наук по Республике Беларусь на 1996-2000 гг. (номер госрегистрации 199760), а также с темой "Разработка и освоение серийного производства волоконно-оптического кабеля дли местных линий связи (городских и сельских телефонных сетей) ", выполняемой в настоящее время в рамках государственного заказа по развитию науки и техники (постановление Совета Министров Республики Беларусь № 05/137 от 30 июня 1995 г.).
Цель и задачи исследования
Цель настоящей работы состояла в установлении особенностей влияния свойств волоконных световодов и полосковых волноводов лазеров на характеристики распространяющегося в них лазерного излучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
исследование влияния свойств ВС на спектральные характеристики ППЛ при вводе его излучения в световод;
исследование связи деградации ППЛ с автокорреляционной функцией (АКФ) его излучения;
разработка и исследование новых типов волоконно-оптических устройств для управления характеристиками лазерного излучения.
Методы исследований
При выполнении диссертационной работы использовались комплексные экспериментальные и расчетные методы исследований. Для расчетов использовались методы геометрической оптики и математического моделирования, включая компьютерную обработку данных. Экспериментальные методы включали спектральный и временной анализ генерируемого лазерами излучения с привлечением визуального, фотометрического и оптико-электронного методов регистрации лазерного излучения.
Объект исследования диссертационной работы - лазерно-волоконные оптические системы.
Предмет исследования - характеристики излучения в лазерах с волоконно-оптическими резонаторами и в волоконно-оптических устройствах.
Научная новизна полученных результатов
-
Обнаружено, что в режиме свободной генерации YAG:Nd3+ лазер с внешним волоконным резонатором в области первой стоксовой компоненты вынужденного комбинационного рассеяния генерирует ряд узких спектральных линий, в отличие от сплошных полос каскадной генерации при идентичной накачке того же световода излучением внешнего лазера.
-
Предложена новая схема кольцевого волоконного резонатора. Показано, что при ее реализация упрощается юстировка лазерного резонатора и повышается эффективность его работы.
-
Установлена корреляция между видом АКФ первого порядка излучения полупроводниковых непрерывных лазеров на GaAlAs и надежностью их работы.
-
Показано, что частотные компоненты спектра излучения ППЛ, при распространении по изогнутому многомодовому ВС, пространственно разделяются по различным пятнам спекл-картины на выходе световода.
-
Исследованы волоконно-оптические датчики температуры и давления на основе одномодовых ВС с наведенной посредством бокового давления анизотропией. Показано, что использование в качестве информационного параметра таких датчиков угла поворота плоскости поляризации распространяющегося в ВС линейно-поляризованного излучения позволяет получить их более высокую чувствительность по сравнению с известными датчиками.
Практическая значимость полученных результатов
Результаты исследования взаимосвязи АКФ первого порядка излучения ППЛ с их деградацией могут использоваться в лабораториях и на предприятиях для прогноза деградации ППЛ по виду АКФ (НИИ "Полюс" /г. Москва/, НИИ "Волга" /г. Саратов/).
Предложено волоконно-оптическое поляризационное устройство, на основе одномодового ВС с наведенной анизотропией, отличающееся стабильными временными и температурными характеристиками.
Результаты исследования режимов изготовления сплавных воло-
конно-оптических разветвителей могуг быть использованы для изготовления разветвителей с оптимальными характеристиками (НИИ Радиоматериалов Jr. Минск/). - Разработан и применяется в клинической практике в лечебно-профилактических медучреждениях Республики Беларусь волоконно-оптический лазерный облучатель на основе ППЛ, генерирующего в ближней ИК-области.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Использование отрезка многомодового ВС в качестве волоконно
го резонатора YAG:Nd3+^a3epa, работающего в режиме свобод
ной генерации, приводит к генерации ряда узких спектральных
линий в области первой стоксовой компоненты ВКР.
-
Применение в YAG:Nd3+^a3epe петли ВС в качестве одного из зеркал кольцевого волоконного резонатора позволяет увеличить эффективное усиление в резонаторе, так как за один полный обход по резонатору излучение дважды проходит через лазерный стержень.
-
Вид автокорреляционной функции излучения ППЛ на GaAlAs дает информацию о степени деградационных процессов в активном слое лазера.
-
Интерференция излучения ППЛ, распространяющегося в различных модах изогнутого многомодового световода, приводит к тому, что спектральный состав излучения на выходе световода в разных пятнах спекл-структуры различен.
Личный вклад соискателя
Основные эксперименты и оценочные расчеты выполнены автором самостоятельно. Научный руководитель осуществлял общее руководство и постановку задач, участвовал в проведении дополнительных экспериментов и обсуждении результатов. Другие соавторы предоставляли образцы экспериментальных ВС, осуществляли техническую поддержку экспериментов, участвовали в проведении вспомогательных исследований и обсуждении результатов.
Апробация результатов работы
Результаты диссертационной работы представлялись на 1-й Республиканской конференции молодых ученых по квантовой электронике (г. Минск, 24-25 мая 1994 г.), Республиканской конференции "Паузное и аналитическое приборостроение" (г. Минск, 25-28 сентября 1995 г.), 1-й и 2-й Межгосударственных научно-технических конференциях по квантовой электронике (г. Минск, 7-10 октября
1996 г. и 23-25 ноября 1998 г.), International conference on fibre optics & photonics "Photonics-96" (Madras, India, December 9-13, 1996), 3-ей Конференции по лазерной физике и спектроскопии (г. Гродно, 2-4 июля 1997 г.), 13-м Белорусско-литовском семинаре "Лазеры и оптическая нелинейность"(г. Минск, 27-29 мая 1998 г.).
Публикации
Представленные в диссертации материалы опубликованы в 15 работах: восьми статьях (четыре в научных журналах и четыре - в трудах семинара и конференций), одной заявке на изобретение и тезисах шести докладов. Общее число опубликованных страниц - 38.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из общей характеристики работы, четырех глав, заключения и списка использованных источников; изложена на 105 страницах из которых 93 страницы текста, включающих 37 рисунков и 1 таблицу. Список использованной литературы содержит 170 наименований на 12 страницах.
