Методы нелинейной оптики. Генерация гармоник. Вынужденное комбинационное рассеяние. Лекция 6
Содержание лекции • • • Элементы нелинейной оптики. Генерация гармоник. Вынужденное комбинационное рассеяние. Волоконные лазеры видимого и УФдиапазонов. Построение волоконных ВКРлазеров.
Роль интенсивности света в оптике • Среди огромного количества научных и технических возможностей, открывшихся после создания лазеров, особое место занимают направления исследований, возникшие в самой оптике. • Одним из важных и наиболее интересных направлений является систематическое исследование зависимости характера оптических эффектов в различных средах (твердых телах, жидкостях, газах) от интенсивности света. • Эти исследования стали возможны после создания лазеров и привели к возникновению новой области физики – нелинейной оптики.
Элементы нелинейной оптики
Элементы нелинейной оптики • Изучение зависимости поглощения света от частоты ν ( или длины волны ) лежит в основе оптической абсорбционной спектроскопии – области, ставшей самостоятельной наукой и имеющей огромное число приложений. • Шкала частот, или длин волн, до недавнего времени являлись основной шкалой, с помощью которой классифицировали эффекты взаимодействия света с веществом. • В основе такой классификации лежит неявное предположение о том, что в процессе взаимодействия света со средой частота света существенно не изменяется.
Элементы нелинейной оптики • Вопрос о величине коэффициента отражения света на границе двух сред также не является корректным, если не указано направление поляризации падающей волны. Например, при угле падения, равном углу Брюстера, свет поляризованный в плоскости падения, вообще не отражается, несмотря на скачок коэффициента преломления. • В большинстве случаев количественные, а тем более качественные результаты экспериментов, которые проводятся в оптике с нелазерными источниками света не зависят от интенсивности света. • В области интенсивностей, которыми располагает долазерная оптика ( < 1 Вт/см 2 ), зависимость показателя преломления, коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния от интенсивности никак не проявляется.
Элементы нелинейной оптики • • • Опыты со световыми пучками, интенсивность которых 8 – 1010 Вт/см 2, показали, что существует весьма достигает 10 сильная количественная и , что особенно важно, качественная зависимость характера оптических эффектов от интенсивности излучения. Речь идет не о малых поправках, регистрируемых лишь в тонком эксперименте, имеются в виду весьма «грубые» явления, радикально меняющие поведение световых пучков. Распространение параллельного ограниченного светового пучка в среде: * линейная оптика - первоначально параллельный пучок конечного радиуса по мере распространения расплывается за счет дифракционных явлений; происходит своеобразная диффузия световой энергии поперек пучка; * характерное расстояние , на котором начинается сказываться дифракционное расплывание пучка (дифракционная длина), Rg равно: , где – радиус пучка. (2)
Элементы нелинейной оптики На расстоянии Rg у первоначально параллельного пучка появляется дифракционная расходимость , характеризующаяся углом: • (3) • Из формул (2) и (3) следует, что дифракция светового пучка не зависит от интенсивности излучения. • При распространении мощных световых пучков в жидкостях и некоторых кристаллах изложенная теория неверна.
Элементы нелинейной оптики a б в г ~ Рис. 1 Световой пучок, вырезанный круглым отверстием диафрагмы, распространяется в жидкости при различных мощностях света на входе. Ф – фильтры, варьирующие интенсивность пучка; RД –дифракционная длина; θД – дифракционная расходимость.
Элементы нелинейной оптики Изменение частоты света при его прохождении через среду: • В любой среде (жидкость, твердое тело или газ) происходят внутренние движения, приводящие к изменениям частоты света. • Тепловое движение молекул вызывает изменения плотности среды, а, следовательно, и показателя преломления. • Случайные изменения плотности, обусловленные тепловыми движениями молекул (их можно назвать тепловыми акустическими волнами), приводят к изменению длины волны и направления распространения световой волны в среде. • Тепловые акустические волны модулируют световую волну аналогично тому, как в радиотехнике низкочастотный сигнал модулирует высокочастотную несущую. • В результате такой модуляции у спектральной линии частоты ω возникают боковые компоненты (сателлиты) с частотой ω ± Ωа , где Ωа - частота акустической волны.
Элементы нелинейной оптики • К аналогичному явлению приводят и внутримолекулярные колебания (например, колебания ядер в двухатомной молекуле). В результате их воздействия на световую волну, у последней также появляются сателлиты с частотами ω ± Ωм , где Ωм – частота внутримолекулярных колебаний, т. е. модуляция световой волны может осуществляться не только за счет коллективных движений молекул, но и за счет внутренних движений в отдельной молекуле. • Рассеяние света на акустических волнах называется рассеянием Мандельштама –Бриллюэна. • Рассеяние на внутримолекулярных колебаниях – комбинационным рассеянием. • Изучение рассеяния с обычными источниками света весьма трудно. • Отношение интенсивности сателлитов к интенсивности падающего излучения составляет лишь 10 -6.
Элементы нелинейной оптики Эксперименты по изучению рассеяния излучения лазера в средах обнаружили ряд новых явлений: • При достижении некоторого порогового значения Iпор интенсивности интенсивность сателлитов резко возрастает. Они становятся сравнимыми с интенсивностью падающей волны. • Число сателлитов также возрастает, появляются компоненты вида: ω ± 2Ω ; ω ± 3Ω ; ω ± 4Ω и т. п. • Когда интенсивность излучения рубинового лазера ( λ = 647 нм) достигает величины I = 108 – 109 Вт/см 2, число компонент в рассеянном излучении настолько возрастает, что луч, выходящих из сжатого газа (водород, азот) из красного становится белым (человеческий глаз воспринимает как белый, цвет, являющийся наложением излучений многих цветов). • При взаимодействии со средой резко меняется спектральный состав интенсивного светового пучка.
Элементы нелинейной оптики Рис. 2 Схема опыта по взаимодействию интенсивного излучения рубинового лазера со сжатым водородом. • Детальные исследования показали, что особенности рассеяния излучения лазера обусловлены большой напряженностьюэлектромагнитного поля световой волны. • Сильное световое поле само возбуждает внутренние движения среды (акустические волны, молекулярные колебания), на которых затем и рассеивается. • Рассеяние света на возбужденных таким образом движениях называется поэтому вынужденным (индуцированным). • Рассеяние же , происходящее на собственных тепловых движениях среды, принято называть спонтанным.
Элементы нелинейной оптики Оптические гармоники. • При рассеянии интенсивного лазерного излучения в жидкостях и кристаллах, помимо боковых спектральных компонент, обнаруживаются и другие компоненты с частотами, в точности кратными частоте падающего излучения 2ω, 3ω и т. п. , называемыми оптическими гармониками. • Интенсивность оптических гармоник в некоторых кристаллах могут быть весьма значительными; как показывает опыт, в них может переходить около 30 -50% мощности рассеянного излучения. Примеры: • Рубиновый лазер + кристалл КДР (дигидрофосфат калия). На выходе кристалла наряду с излучением лазера (λ = 694, 3 нм) возникает ультрафиолетовое излучение на длине волны, в точности равной половине длины волны рубинового лазера; т. е. 337, 1 нм. 694, 3 нм Рубиновый лазер КДР 694, 3 нм 337, 1 нм Таким образом, видимый красный свет рубинового лазера превращается в невидимое глазом ультрафиолетовое излучение.
Элементы нелинейной оптики Nd: YAG лазер + кристалл КТР (калий титанил фосфата). На выходе кристалла излучение лазера на длине волны 1064 нм – невидимое глазом инфракрасное излучение и излучение на длине волны 532 нм - вторая гармоника излучения, которая попадает в зеленую область спектра. 1064 нм Nd: YAG лазер КТР 1064 нм 532 нм
Элементы нелинейной оптики • Существенное увеличение интенсивности света в 109 – 1010 раз от интенсивности порядка 1 Вт/см 2 до 1010 ÷ 1011 Вт/см 2 привело к открытию новых черт у уже известных оптических явлений и к обнаружению новых оптических эффектов, не известных в долазерной оптике. • Все эти явления объединяет общая черта: их характер зависит от интенсивности или полной мощности излучения. Многие из этих эффектов имеют характерные пороги по интенсивности. • Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения, называются нелинейными. Область оптики, изучающую такие явления – оптику мощных световых потоков, называют нелинейной оптикой. • Оптику слабых световых потоков, в которой шкала интенсивностей несущественна, называют линейной оптикой.
Взаимодействие света со средой • • • Взаимодействие света со средой состоит из последовательных элементарных взаимодействий с ее атомами или молекулами. В электрическом поле волны Е атомы или молекулы среды поляризуются: отрицательно заряженные электроны под действием поля смещаются относительно положительно заряженных ядер, появляется электрический дипольный момент, причем смещение определяется величиной и знаком напряженности поля. Дипольный момент, приобретенный отдельным атомом световой волны: . (6) Величина α называется линейной атомной восприимчивостью, а дипольный момент, приобретенный 1 см 3 среды Р , называется поляризацией среды: см 3, æ , (7) а ǽ - макроскопическая линейная где N – число атомов в 1 восприимчивость - вектор электрической индукции.
Взаимодействие света со средой • Диэлектрическая проницаемость среды ε и показатель преломления n в силу (6) и (7) имеют вид æ æ • Если справедливы формулы (6) – (9), то все нелинейные эффекты, перечисленные выше, очевидно, должны отсутствовать (например, показатель преломления n, а следовательно фазовая скорость волны не должна зависеть от интенсивности). • Поэтому можно утверждать, что линейность «обычной» оптики полностью заключается в соотношении æ
Взаимодействие света со средой • • В сильных световых поляризация среды является нелинейной функцией электрического поля Ē световой волны. Если отличие связи поляризации Р и поля Е от линейной не слишком велико (а именно так обстоит дело даже в сильных лазерных полях), то зависимость Р от Е можно представить в виде степенного ряда: æ æ • Переход от линейной связи æ необходимости пересмотреть все взаимодействия света с веществом. • - интенсивная гармоническая световая волна, которая попадает в среду. Нелинейная поляризация, а, следовательно, и переизлученное поле, связанные со вторым членом в разложении (10), содержит, следующие слагаемые • к нелинейной приводит к основные аспекты
Взаимодействие света со средой • Второе слагаемое в выражении (11) • описывает переизлученное электроном поле на второй гармонике падающей волны. Нелинейность, связанная с 3 - м слагаемым θЕ 3 в формуле (10) приводит к генерации третьей гармоники. Действительная нелинейная поляризация, обусловленная этим слагаемым в гармоническом поле, имеет вид: • Второе слагаемое в (12) описывает переизлучение на третьей гармонике падающей волны. 694, 3 нм λ 1 = 694, 3 нм Рубиновый лазер λ 2 = 231, 4 нм Нелинейный кристалл Ca. CO 3 • Распространение сильной световой волны генерацией различных оптических гармоник. в среде сопровождается
Накопление нелинейных эффектов. Волновой синхронизм. • Источником 2 -ой гармоники является нелинейная поляризация: • Волну поляризации можно представить себе как своеобразную антенну, перемещающуюся в пространстве вдоль оси Z по закону, описываемому формулой (13). Скорость перемещения этой «антенны» определяется в силу (13) фазовой скоростью волны излучения на основной частоте ω : • • Перемещаясь «антенна» излучает световую волну удвоенной частоты а фазовая скорость световой волны на 2 -ой гармонике определяется величиной показателя преломления для частоты 2ω:
Накопление нелинейных эффектов. Волновой синхронизм. • • Волна 2 -ой гармоники черпает свою энергию от основного излучения через волну поляризации (13). Очевидно, что обмен энергией между основной волной и 2 -ой гармоникой будет максимальным, если разность фаз Δφ между волной поляризации и 2 -ой гармоникой сохраняется постоянной на достаточно больших расстояниях. В действительности сдвиг фаз Δφ между волной поляризации и световой волной второй гармоники из-за дисперсии света в среде непрерывно изменяется. Величина фазового сдвига между этими волнами на длине l равна: следовательно, Δφ ≡ 0 лишь в случае, когда • • Условие (17) называется условием волнового (или фазового) синхронизма. При его выполнении волна нелинейной поляризации, возбуждающая 2 -ю гармонику, и волна гармоники совпадают по фазе в любой точке пространства.
Накопление нелинейных эффектов. Волновой синхронизм. • В реальной диспергирующей среде фазовые скорости на различающихся частотах не равны другу. • Поэтому фазовые соотношения между волной поляризации и волной гармоники сохраняются лишь на ограниченных расстояниях, не превышающих так называемой когерентной длины (фазовые соотношения считают нарушенными, когда сдвиг фаз ). • Для определения когерентной длины в (16) → , тогда • , а - минимальное расстояние, на котором из-за дисперсии происходит накопление нелинейных эффектов.
Накопление нелинейных эффектов. Волновой синхронизм. Р 2 -φ • • • φ=0 Рис. 7. Зависимость мощности второй оптической гармоники от длины оптического пути , пройденного световой волной в кристалле кварца. Величина изменения угла φ наклона кварцевой пластинки относительно пучка рубинового лазера. +φ Участки, на которых мощность второй гармоники Р 2 нарастает за счет основной волны, сменяются областями, где происходит обратный процесс – мощность второй гармоники «перекачивается» обратно в мощность основной волны. Длина каждого такого участка (спада и нарастания) определяется величиной. Для кристалла кварца и других кристаллов ~10 -3 см. Мощность второй гармоники Р 2 хорошо описывается формулой:
Накопление нелинейных эффектов. Волновой синхронизм. мощность • второй гармоники При фиксированном можно увеличивать лишь за счет увеличения мощности основного излучения Р 1 и величины коэффициента нелинейности χ. • Предельные мощности, которые еще способны выдержать кристаллы, не превышают 300 – 400 МВт/см 2. • КПД оптического удвоителя частоты η =Р 2/ Р 1 при = 10 -3 см не превышает сотых и тысячных долей процента. • Единственная возможность получения КПД ~ 10 ÷ 20 % состоит в увеличении. • Для этого необходимо создать условия, при которых фазовые скорости или (что то же самое) показатели преломления двух световых волн с отличающимися вдвое частотами совпадали.
Волновой синхронизм в анизотропных кристаллах. • Условие фазового синхронизма может быть выполнено (и, следовательно, возможно получение весьма больших ) в двулучепреломляющих кристаллах, если использовать взаимодействие волн с разной поляризацией. • Простейшим примером анизотропной среды является одноосный кристалл (имеющий одну оптическую ось); в нем показатель преломления для волны, поляризованной перпендикулярно оптической оси OZ кристалла (обыкновенной волны), не зависит от направления распространения волн.
Волновой синхронизм в анизотропных кристаллах. - отрицательный одноосный кристалл Рис. 8. Сечение поверхности показателя преломления: сферы для обыкновенной волны (n 0) и эллипсоида для необыкновенной волны (ne) в кристалле КДР для частоты рубинового лазера (индекс 1) и его второй гармоники (индекс 2). n 01 = n e 2 • Под углом θ 0 к оптической оси окружность n 01 пересекается с эллипсоидом ne 2. Это направление является направлением синхронизма. • Дляволныполяризованной вплоскостиоси(необыкновенная волна), эта зависимость может быть довольно сильной. • направлений распространения волны, кроме направления оптической оси, волны одной частоты с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации распространяются с разными фазовыми скоростями.
Волновой синхронизм в анизотропных кристаллах. • В области нормальной дисперсии показатель преломления обыкновенной волны n 0 и показатель преломления необыкновенной волны ne возрастает с ростом частоты. • Разности n 02 - n 01 и ne 2 - ne 1 для разных частот всегда отличны от нуля и, следовательно, если волна основной частоты и волна гармоники являются волнами одного типа (обыкновенные и необыкновенные), то соответствующие когерентные длины: • Существует еще одна возможность: волна основной частоты – обыкновенная, а волна гармоники – необыкновенная и двулучепреломление достаточно велико (эллипсоид далеко уходит от сферы по оси ОХ) → возможно пересечение эллипсоида ne 2 и сферы n 01, т. е. под углом θ 0 к оптической оси ОZ выполняется соотношение • Т. о. , если основная волна обыкновенная, а волна второй гармоники – необыкновенная, то в направлении θ 0 коэффициент преломления и скорости для второй гармоники необыкновенной волны и для основной гармоники обыкновенной волны равны.
Волновой синхронизм в анизотропных кристаллах. • В этом направлении выполняется синхронизма и, согласно соотношению условие когерентная длина обращается в бесконечность. • В результате, если поляризация падающей волны подобрана так, что основная волна в кристалле является обыкновенной, а свойства кристалла таковы, что в нем обыкновенная волна основного излучения возбуждает необыкновенную волну 2 -ой гармоники, то в направлении θ 0 следует ожидать резкого возрастания мощности второй гармоники. • Вдоль направления синхронизма мощность второй гармоники растет как квадрат длины :
Оптические схемы внерезонаторной генерации второй гармоники • Внерезонаторная генерация второй гармоники – нелинейный кристалл находится вне резонатора лазера, используемого для получения излучения основной частоты. Классические схемы. Рис. 9. : 1 – лазер; 2 – нелинейный кристалл; 3 – телескоп, состоящий из рассеивающей и собирающей линз; 4 – фокусирующая сферическая линза; 5 – корректирующая сферическая линза; z’ – направление оптической оси кристалла; θс – угол синхронизма.
Оптические схемы внерезонаторной генерации второй гармоники МНОГОХОДОВЫЕ СХЕМЫ Рис. 10 а : 1 – лазер; 2 – нелинейный кристалл; 3 – угловой отражатель; 4 – выходное излучение. Рис. 10 б : 1 – лазер; 2 – нелинейный кристалл; 3 – левое зеркало пассивного резонатора (оно прозрачно для излучения основной частоты и непрозрачно для второй гармоники); 4 – правое зеркало (имеет оптимальный коэффициент отражения на частоте второй гармоники).
Однопроходная ГЧГ в LBO Yb/Er pump source Output fiber LBO PPKTP 1550 nm 775 nm 388 nm Основные характеристики кристалла - Размеры: 3 x 15 mm - deff=0. 8 pm/V -Q=900, f=34. 40
Выходная мощность (на 775 нм), Вт ГВГ в 2 см КТР Максимальная мощность на 24 775 нм – 25 Вт 20 16 12 Эффективность преобразования 75. 6% 8 4 10 15 20 25 30 Мощность накачки (1550 нм), Вт 35
Вынужденное комбинационное рассеяние • Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) – рассеяние света большой интенсивности, при котором возбуждаются когерентные колебания молекул и рассеянная световая волна имеет частоту ωs, которая меньше частоты падающего света ω на частоту Ω молекулярных колебаний. Рис. 11. Схема квантовых а) б) процессов при ħωs ħω комбинационном рассеянии ħωas ħω а) стоксовом; ħΩ ħΩ б) антистоксовом. • С квантовой точки зрения, при ВКР один фотон падающего света с энергией ħω (ħ – постоянная Планка) поглощается молекулой, а другой фотон с энергией ħωs испускается (называется стоксовой частотой). Энергия, равная ħ(ω – ωs) , поглощается веществом, за счет чего возбуждаются собственные колебания молекул на частоте Ω. Спектр рассеянного света содержит комбинационные частоты (ω ± nΩ). Наибольшую интенсивность имеет линия с частотой равной разности (ω – Ω). Эта линия называется стоксовой. Интенсивность антистоксовой линии с частотой (ω + Ω) намного меньше. •
Вынужденное комбинационное рассеяние • При стоксовом рассеянии молекула сначала находится в невозбужденном состоянии. Падающий квант с энергией ħω поглощается молекулой, в результате чего молекула переходит на один из возможных для нее колебательных уровней с энергией ħΩ. Разность энергий ħ(ω – Ω) излучается в виде рассеянного кванта с частотой ωs= ω – Ω. • Если молекула находится в возбужденном состоянии, то она может перейти в невозбужденное состояние в результате рассеяния. Энергия рассеянного кванта в этом случае больше, чем энергия падающего, рассеяние происходит на антистоксовой частоте ωаs= ω + Ω. • Вынужденное комбинационное рассеяние, возникает при интенсивностях светового пучка, превышающих некоторую пороговую величину. • Характерные сдвиги частот Ω , см-1: - кварц 128; 466 - ниобат лития 152; 245; 628 - кальцит 1084.
Волоконные ВКР – лазеры • Созданные волоконные лазеры на основе световодов, легированных ионами редкоземельных элементов, излучают лишь в определенных спектральных областях, не перекрывающих весь ближний ИК диапазон. • Использование ВКР в волоконных световодах позволяет создавать эффективные преобразователи длины волны излучения лазерных источников и получать лазерную генерацию практически на любой длине волны ближнего ИК – диапазона. • Конфигурации ВКР–лазера и характеристики световода, используемого для преобразования, зависят от длины волны излучения накачки и заданной длины волны излучения конвертора. • В качестве источника накачки предпочтительнее использовать иттербиевый волоконный лазер вследствие высокой эффективности генерации, а также достаточно широкого спектрального диапазона, в котором она достигается.
Построение ВКР – лазеров • Волоконные ВКР – преобразователи, или ВКР – конверторы, позволяют эффективно преобразовать лазерное излучение накачки в излучение на более низких частотах (стоксово излучение), используя явление вынужденного комбинационного рассеяния света в волоконном световоде. • В случае непрерывной накачки начальный рост интенсивности стоксовой волны описывается соотношением: где Is - интенсивность стоксовой волны, Ip - интенсивность волны накачки; g. R - коэффициент ВКР – усиления. • Специфика волоконных световодов как ВКР – среды заключается в относительно малом коэффициенте усиления. Для плавленого кварца, являющегося основным материалом световода, он составляет около 10 -13 м/Вт. • Световоды на основе кварцевого стекла обладают таким уникальным свойством, как большая длина взаимодействия, что позволяет снизить пороги по ВКР. • Само кварцевое стекло, как некристаллический материал, обладает широким спектром комбинационного рассеяния.
Построение ВКР – лазеров Рис. 12. Спектр комбинационного рассеяния в германосиликатном (1) и фосфоросиликатном (2) световодах. • Конструкция ВКР – лазеров упрощается при использовании в качестве активной среды ВКР–лазера световода с сердцевиной, легированной оксидом фосфора. • Такой световод имеет стоксов сдвиг Δνst, равный 1330 см-1, что в три раза больше, чем у германосиликатного световода (рис. 12).
Однокаскадные ВКР – лазеры Рис. 13. Схема однокаскадного ВКР – лазера ( λ = 1, 12 мкм) с длиной Ge. O 2 световода 3 м. Над брэгговскими решетками указаны резонансные длины волн (в микрометрах) и коэффициенты отражения (НR коэффициент отражения, близкий к 100%); ОС – выходная решетка, точками обозначены места сварки. Рис. 14. Зависимости от мощности накачки (λр =1, 07 мкм) мощности выходного излучения однокаскадного волоконного ВКР – лазера (λs =1, 12 мкм) c длиной световода 3 м (1) и 20 м без выходной брэгговской решетки на длину волны λs (ОС на рис. 13) (2). Темные точки соответствуют мощности излучения на выходе лазера, светлые – суммарной мощности излучения стоксовой компоненты на выходе лазера и излучения, прошедшего через решетку НR (1, 07) Yb – лазера.
Мощные волоконные ВКР – лазеры в диапазоне 1. 22 – 1. 34 мкм • Мощные волоконные источники излучения с длиной волны λ = 1. 22 – 1. 34 мкм могут найти применение в волоконно – оптической связи, обработке материалов, спектроскопии, медицине и других областях. • Использование в конверторе фосфоросиликатных световодов, характеризующихся наличием дополнительного пика комбинационного рассеяния с максимумом в области 1330 см-1, позволяет существенно упростить схему конвертора. Рис. 15. Схема однокаскадного волоконного ВКР – лазера на основе фосфоросиликатного световода.
Мощные волоконные ВКР – лазеры в диапазоне 1. 22 – 1. 34 мкм • • • Для накачки иттербиевого волоконного лазера использовался полупроводниковый источник с λ = 978 нм и номинальной выходной мощностью 10 Вт. Резонатор волоконного лазера формировался при помощи внутриволоконных брэгговских решеток показателя преломления. Коэффициент отражения входной решетки составлял более 99%, выходной от 5% до 10%. В качестве активной среды конвертора использовался отрезок волоконного световода длиной 700 м с сердцевиной на основе фосфоросиликатного стекла. Рис. 16. Зависимость выходной мощности иттербиевого волоконного лазера от мощности полупроводникового источника накачки на λ = 978 нм для различных длин волн выходного излучения.
Мощные волоконные ВКР – лазеры в диапазоне 1. 22 – 1. 34 мкм • Максимальная выходная мощность (7, 5 Вт) была достигнута при λ = 1098 нм и мощности накачки 10, 5 Вт. Рис. 17. Спектральная зависимость дифференциальной эффективности волоконного лазера. • • Дифференциальная эффективность превышает 75% в диапазоне 1. 07 – 1. 12 мкм и 50% - в диапазоне 1. 05 – 1. 14 мкм. Резкое уменьшение дифференциальной эффективности на длинах волн, превышающих 1, 12 мкм обусловлено соответствующим падением интенсивности люминесценции. Молярная концентрация примеси P 2 O 5 составила 13%. Оптические потери в области длин волн накачки составили около 1. 8 д. Б/км, на длинах волн излучения – около 1 д. Б/км.
Мощные волоконные ВКР – лазеры в диапазоне 1. 22 – 1. 34 мкм • Изготовлено два конвертера с длинами волн излучения 1266 и 1300 нм; для их накачки использовались иттербиевые волоконные лазеры с длинами волн 1084 нм и 1108 нм соответственно. • Для создания резонатора фосфоросиликатный световод сваривался с волоконными брэгговскими решетками с заданными длинами волн отражения (1266 и 1300 нм). • Для конвертеров с λ = 1266 ± 1 и 1300 ± 0, 5 нм коэффициент отражения выходной решетки составил 20 и 50% соответственно. • Для более полного использования излучения иттербиевого лазера рядом с выходной решеткой конвертера была записана брэгговская решетка с коэффициентом отражения свыше 99% на длине волны, соответствующей длине волны накачки.
Мощные волоконные ВКР – лазеры в диапазоне 1. 22 – 1. 34 мкм Рис. 18. Зависимость выходной Рис. мощности волоконных ВКР – конвертеров от мощности полупроводникового источника накачки на λ =978 нм для различных длин волн выходного излучения. • Для обоих источников выходная мощность превышает 3 Втвыходная Для обоих источников при накачке 10 Вт, т. е. эффективность составляет более 30%. 3 Вт при мощность превышает накачке 10 Вт, т. е. эффективность составляет более 30%. Рис. 19. Спектр излучения ВКР – лазера с длиной волны излучения 1266 нм. • • Использование в качестве источника накачки иттербиевого лазера, Использование диапазоне 1. 05 – 1. 07 мкм и 1. 12 – 1. 14 мкм позволит излучающего в в качестве источника накачки иттербиевого лазера, излучающего в диапазоне 1. 05 1. 07 мкм и 1. 12 – 1. 14 мкм позволит получить источники излучения– для диапазонов 1220 – 1245 нм и 1315 получить с эффективностью преобразования излучения – 1340 нм источники излучения для диапазонов 1220 – 1245 нм и 1315 – 1340 нм с эффективностью преобразования излучения полупроводникового источника накачки более 20%.
Многокаскадные волоконные ВКР лазеры • Для определенности рассмотрим волоконного ВКР – лазера. трехкаскадный вариант Рис. 20. Схема трехкаскадного ВКР – лазера. HR (OR) – брэгговские решетки показателя преломления с высоким (оптимальным) коэффициентом отражения на указанных длинах волн; - точки сварки световодов. • Основой многокаскадного ВКР – лазера является отрезок волоконного световода, имеющий коэффициенты усиления gi (i=0, 1, …N-1, где N – число каскадов ВКР – лазера) на длинах волн λi+1 при накачке на длине волны λi. • Световод находится внутри системы N вложенных оптических резонаторов, образованных таким же числом пар брэгговских решеток показателя преломления, записанных в сердцевине световода и выполняющих роль зеркал.
Многокаскадные волоконные ВКР лазеры • Накачкой для первого каскада ВКР – лазера, которому соответствует пара брэгговских решеток с отражением на длине волны λ 1 , служит одномодовое излучение внешнего лазера (обычно волоконного лазера на ионах неодима или иттербия) с длиной волны λ 0. • Накачкой для каждого следующего каскада является излучение предыдущего каскада. • Коэффициенты отражения всех брэгговских решеток близки к 100 %, кроме одной из решеток на длину волны λN (на рис. 20 такая решетка обозначена OR), коэффициент пропускания которой должен быть выбран оптимальным для получения максимальной выходной мощности. • Кроме того, в схему лазера включена одна дополнительная брэгговская решетка на длину волны λ 0, возвращающая назад излучение накачки.
Многокаскадные волоконные ВКР - лазеры • • Многокаскадные волоконные ВКР – лазеры используются для получения излучения в спектральной области λ > 1. 35 мкм. Использование четырехкаскадного ВКР – преобразования в германосиликатном световоде позволяет генерировать излучение в диапазоне 1. 35 – 1. 45 мкм при накачке световода излучением иттербиевого волоконного лазера. Увеличение числа каскадов значительно усложняет схему лазера, т. к. растет число пар брэгговских решеток, резонансные длины волн которых должны выдерживаться с высокой точностью В световодах с фосфоросиликатной сердцевиной наблюдается усиление не только на частоте стоксова сдвига 1330 см-1, но и на частоте со сдвигом 440 см-1, соответствующим максимуму ВКР в чистом плавленом кварце, который является основным материалом световода. Имеется возможность использования двух различных сдвигов в одном и том же волоконном световоде. Волоконный ВКР – лазер на длине волны 1407 нм может быть реализован при использовании одного преобразования 1330 см-1 и двух преобразований со сдвигом 440 см-1. Максимальная мощность излучения на длине волны 1407 нм составила 1 Вт, эффективность преобразования - 25%.
Многокаскадные волоконные ВКР лазеры Рис. 21. Спектр излучения ВКР – лазера на основе фосфоросиликатного световода с использованием стоксовых сдвигов 440 см-1 и 1330 см-1.
Составные ВКР – лазеры • Для генерации излучения в области 1. 6 – 1. 8 мкм можно использовать ВКР–лазер на основе фосфоросиликатного волоконного световода с двумя сдвигами частоты на 1330 см-1, обусловленными компонентой P 2 O 5, и одним сдвигом 440 см-1, обусловленным кварцевым стеклом. • Фосфоросиликатные волоконные световоды в настоящее время имеют значительно большие оптические потери, чем световоды на основе германосиликатного стекла (0, 8 – 1 д. Б/км против 0, 2 д. Б/км в области 1. 5 мкм). • При дальнейшем увеличении длины волны оптические потери в фосфоросиликатных волоконных световодах из-за влияния края фононного поглощения растут быстрее, чем потери в германосиликатных световодах. • Использование волоконных световодов на основе германосиликатного стекла в качестве активной среды требует использования семикаскадного преобразования для получения излучения с длиной волны более 1. 6 мкм.
Составные волоконные ВКР - лазеры Рис. 22. Схема составного ВКР-лазера. Крестиками показаны точки сварки, около каждой решетки указана резонансная длина волны (в мкм). • • Лазер состоит из двух частей: двухкаскадного конвертера на основе фосфоросиликатного световода и однокаскадного преобразователя на германосиликатном световоде. Первая часть преобразователя позволяет получить выходное излучение на длине волны 1533 нм, вторая – на 1649 нм. Рис. 23. Зависимость выходной мощности составного ВКР-лазера от мощности иттербиевого лазера на λ = 1089 нм. На вставке спектр излучения составного лазера.
Волоконные ВКР – лазеры с длиной волны генерации более 2 мкм • • • Представляет большой интерес расширение диапазона генерации ВКР-лазеров в область за 2 мкм вообще и за область генерации волоконных лазеров на ионах Tm 3+ и Ho 3+ в световодах на основе плавленого кварца в частности (примерно за 2. 1 мкм). Длинноволновая граница существования эффективных ВКР – лазеров на основе световодов из плавленого кварца определяется снижением коэффициента ВКР – усиления материала сердцевины и оболочки при увеличении длины волны и возрастанием оптических потерь в световоде. В результате ВКР – усиление не может компенсировать оптические потери излучения при разумных значениях мощности накачки. Оценить пороговую мощность накачки для ВКР – лазеров по порядку величины можно из условия равенства коэффициента усиления распределенным оптическим потерям в световоде: где - оптические потери в световоде на длине волны ВКР – генерации; - коэффициент рамановского усиления световода (КРУС); - пороговая мощность накачки. Для стандартных германосиликатных световодов (с сердцевиной из плавленого кварца, легированного Ge. O 2 с молярной концентрацией ~ 3%) на λ = 2. 1 мкм: 100 д. Б/км, < 3 д. Б·км-1·Вт-1 и следовательно
Волоконные ВКР – лазеры с длиной волны генерации более 2 мкм • • • Волоконные световоды на основе Ge. O 2 являются перспективными для получения лазерного излучения в области за 2 мкм. Стекло на основе двуокиси германия имеет минимум оптических потерь вблизи 2 мкм (~ 0, 22 д. Б/км) при этом значение поперечного сечения комбинационного рассеяния превышает соответствующее значение для кварцевого стекла в 10 раз. Германатное стекло имеет высокую фоточувствительность, что позволяет записывать брэгговские решетки в световоде без насыщения его водородом. Для создания лазеров в данном диапазоне спектра используются одномодовые волоконные световоды на основе плавленого кварца с сердцевиной (молярное содержание Ge. O 2 75%) и с отражающей оболочкой из Si. O 2. Рис. 24. Спектральная зависимость оптических потерь в Ge. O 2 - световоде с молярной концентрацией Ge. O 2 в сердцевине 75% и в стандартном телекоммуникационном световоде SMF 28 с молярной концентрацией Ge. O 2 ~ 3%.
Волоконные ВКР – лазеры с длиной волны генерации более 2 мкм • Минимальное значение оптических потерь в Ge. O 2 – световоде сдвинуто в область вблизи 1. 85 мкм и составляет около 20 д. Б/км. • Большое сечение ВКР – рассеяния в Ge. O 2 по сравнению с Si. O 2 обеспечивают высокое значение коэффициента рамановского усиления Ge. O 2 - световода ( (1. 725 / 1. 608) = 59 д. Б·км-1·Вт-1), что компенсирует высокие оптические потери при мощности накачки порядка одного ватта. Рис. 25. Схема четырехкаскадного волоконного лазера с длиной волны излучения 2. 2 мкм; HR - брэгговская решетка с коэффициентом отражения R , близким к 100%, ОС – выходные брэгговские решетки лазеров. Около каждой решетки указана резонансная длина волны (в нм).
Волоконные ВКР – лазеры с длиной волны генерации более 2 мкм • В качестве источника накачки применялся одномодовый непрерывный волоконный Er 3+-лазер с длиной волны излучения 1608 нм, использующий световод с двухэлементной первой оболочкой и сердцевиной легированной ионами Er 3+ и Yb 3+. • Накачка эрбиевого лазера осуществлялась источником многомодового излучения (λ =0, 975 мкм) на основе лазерных диодов с волоконным выходом. • Максимальная мощность излучения с λ = 1608 нм, вводимая в Ge. O 2 – световод составила 4. 7 Вт. • Сдвиг частоты, соответствующий максимуму коэффициента ВКР – усиления в Ge. O 2 – световоде равен 427 см-1, что несколько меньше аналогичного сдвига в световодах с умеренным содержанием Ge. O 2 (440 см-1) • Оптимальная длина световода - 8 м.
Волоконные ВКР – лазеры с длиной волны генерации более 2 мкм Рис. 26. Спектр излучения на выходе трехкаскадного (λ = 2 мкм) ВКРлазера (а) и четырехкаскадного (λ = 2, 2 мкм) ВКР- лазера на Ge. O 2 световоде (б). Длины волн всех каскадов лазера указаны на спектре излучения на рисунке, приведенном выше. Пороговая мощность накачки для генерации четвертого каскада составила 1. 1 Вт. Максимальная выходная мощность на длине волны 2. 2 мкм – 215 м. Вт при мощности накачки 4. 2 Вт (λ = 1608 нм). Полный КПД достиг ~ 5%. Выводы: • • Использование световодов с сердцевиной на основе Ge. O 2 позволяет получать излучение 1. 7 - 2. 2 мкм при соответствующем выборе длины волны накачки и использовании ВКР – лазера с необходимым чиcлом каскадов и величиной частотного сдвига в каждом каскаде. Дальнейшее снижение потерь в световодах на основе Ge. O 2 позволит расширить область генерации ВКР – лазеров до ~ 3 мкм.
Скачать презентацию Методы нелинейной оптики Генерация гармоник Вынужденное комбинационное рассеяние
Волоконные лазеры лекция 6_2014.ppt