ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ Лекция 5 Содержание лекции

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ Лекция 5

Содержание лекции 1. Лазеры на основе световодов, легированных ионами Nd 3+. 2. Эффективный неодимовый одномодовый лазер, работающий в области 0. 9 мкм. 3. Лазеры на основе световодов, легированных ионами Yb 3+. 4. Иттербиевый волоконный лазер на длине волны 980 нм. 5. Лазеры на основе световодов, легированных ионами Er 3+. 6. Лазеры на основе световодов, легированных ионами Tm 3+. 7. Лазеры на основе световодов, легированных ионами Ho 3+. 8. Непрерывный висмутовый волоконный лазер.

Неодим ( Nd +3) Три основные полосы люминесценции расположены в области 0. 92 ; 1. 06 и 1. 34 мкм. 4 F 4 F 4 I 3/2 15/2 4 I 4 I 5/2 13/2 11/2 4 I 4 F 3/2 → 4 I 13/2 4 F 3/2 → 4 F 3/2 4 I 11/2 → 4 I 9/2 (λ = 1. 34 мкм) (λ = 1. 06 мкм) (λ =0. 92 мкм) 9/2 Реализация волоконных лазеров с использованием перехода 4 F → 4 I 9/2 (λ = 0, 92 мкм) затруднена из – за конкуренции со 3/2 стороны люминесценции в области 1, 06 мкм. Создание эффективного волоконного лазера на длине волны 0, 92 мкм связано с подавлением люминесценции на длине волны 1, 06 мкм.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Nd+3 Параметры лазера: - световод с оболочкой размером 290 х 290 мкм; - активированная сердцевина диаметром 5 мкм; - для накачки использовалась диодная матрица с длиной волны излучения 0, 81 мкм. Рис. 1 Зависимость выходной мощности неодимового лазера от мощности накачки. На вставке - спектр генерации лазера. Рис. 2 Спектр излучения неодимового волоконного лазера на 925 нм : линия излучения накачки (а), линия генерации на 925 нм (б) , излучение на 1060 нм (в), На вставке - схема лазера. Подавление люминесценции на λ = 1060 нм составило около 60 д. Б. Дифференциальная эффективность генерации около 35 %.

Эффективный неодимовый одномодовый волоконный лазер, работающий в области 0. 9 мкм. 4 F 4 F 4 I 3/2 15/2 4 I 4 I 5/2 13/2 4 F 3/2 → 4 I 13/2 4 F 3/2 → 4 F 3/2 4 I 11/2 → 4 I 9/2 (λ = 1. 34 мкм) (λ = 1. 06 мкм) (λ =0. 92 мкм) 11/2 4 I 9/2 Методы получения генерации на длине волны 0, 92 мкм: - за счет заданного различия коэффициентов отражения зеркал резонатора на длинах волн 0, 92 мкм и 1, 06 мкм; - за счет обеспечения наилучшего поглощения и достижения низких оптических потерь за счет введения в соcтав сердцевины Nd 2 O 3 (массовая концентрация 1%), Al 2 O 3 (массовая концентрация 1%) и Ge. O 2 (массовая концентрация 0, 5%).

Эффективный неодимовый одномодовый волоконный лазер, работающий в области 0. 9 мкм. Рис. 3 Показатель преломления активного световода, измеренный в заготовке: 1 – область сердцевины, легированная окислами Nd, Al и Ge; 2 – область депрессии показателя преломления, легированная фтором; 3 – область нелегированного плавленого кварца; 4 – область сердцевины без легирования.

Эффективный неодимовый одномодовый волоконный лазер, работающий в области 0. 9 мкм. Параметры активного световода: • Разность между максимумами показателей преломления сердцевины и кварцевой оболочки Δn+ = 5· 10 -3 . • Разность показателей преломления области депрессии и кварцевой оболочки Δn- = 2. 5· 10 -3. • Диаметры сердцевины и области депрессии составляли 6 и 13. 5 мкм, соответственно. • Диаметр кварцевой оболочки 82 мкм. • Длина резонатора составляла 15 м. • Для дополнительного подавления усиления в области 1. 06 мкм световод был намотан на катушку радиусом 10 см. • Длина волны отсечки основной моды для данной конфигурации активного световода лежала между 925 и 1060 нм, что приводило к существенным потерям на вытекание излучения в области 1060 нм.

Эффективный неодимовый одномодовый волоконный лазер, работающий в области 0. 9 мкм. Параметры лазера: • • • одномодовой сердцевиной, легированной ионами неодима, и двойной оболочкой. Поперечное сечение внешней (первой) кварцевой оболочки световода имело форму квадрата со стороной 104 мкм. Резонатор лазера был образован парой брэгговских решеток с максимумом коэффициента отражения на 925 нм и со спектральной шириной 1 нм. Накачка на длине волны 805 нм осуществлялась многомодовым полупроводниковым лазером с волоконным выводом. Излучение накачки вводилось с помощью объектива в первую оболочку световода со стороны высоко отражающей брэгговской решетки.

Эффективный неодимовый одномодовый волоконный лазер, работающий в области 0. 9 мкм. Рис. 4 Спектр выходного излучения волоконного неодимового лазера (1). Пик на 805 нм - непоглощенное излучение накачки, пик на 925 нм - излучение генерации, пик в районе 1060 нм - остатки излучения люминесценции. Для сравнения представлены спектр люминесценции на выходе того же волоконного лазера при допороговом уровне накачки (2) и спектр люминесценции волоконного лазера на основе световода без области депрессии показателя преломления (3).

Иттербий ( Yb 3+) Таблица 2. Положение подуровней Yb 3+ в матрицах сердцевины волоконных АС и ФС световодов. Уровень Подуровень Энергия (см -1) ФС АС световод 4 F f 5/2 4 F 7/2 e b a d c 2 F 0 b 7/2 0 260 400 c 440 760 d g Yb 3+ a 740 1210 e 2 F 5/2 10260 10245 f 10520 10917 g 10930 10940

Спектр поглощения и люминесценции волоконных световодов, легированных ионами Yb 3+ Полоса поглощения проявляет два максимума на 915 и 975 нм. Спектр люминесценции имеет максимумы в области 978 – 982 нм и 1030 – 1040 нм, простираясь до области 1150 – 1200 нм. Время жизни на метастабильном уровне для алюмосиликатного стекла составляет около 0. 8 мс.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Yb 3+ Параметры активного световода: - разность показателей преломления сердцевины и оболочки Δn = (9 – 11) x 10 -3, - диаметр сердцевины 2 а = 4, 5 – 5, 5 мкм, - концентрация ионов иттербия (5 – 10) х 1019 см -3, - размер внутренней квадратной оболочки 120 х 120 мкм. Рис. 5 Зависимость выходной мощности иттербиевого волоконного лазера от мощности накачки (а) и спектр излучения (б).

Рис. 6 Спектры поглощения (сплошная кривая), и люминесценции (пунктирная кривая) ионов иттербия в кварцевом стекле. Рис. 7 Спектральная зависимость дифференциальной эффективности иттербиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку.

Иттербиевый волоконный лазер на длине волны 980 нм Рис. 8 Профиль показателя преломления заготовки активного световода с оболочками на основе стекол разного состава. Внутренняя оболочка световода является кварцевым стеклом с дополнительным легированием Ge. O 2, молярная концентрация примеси в ней была около 10 %, что обеспечивало числовую апертуру для излучения накачки, равную 0. 22. Диаметр внутренней оболочки 25 мкм. Роль внешней оболочки играла опорная труба из кварцевого стекла. Диаметр сердцевины 10 мкм. Концентрация ионов Yb 3+ - 2 х 10 19 см-3. Рис. 9 Зависимость выходной мощности лазера на λ = 977, 5 нм от выходной мощности накачки. На вставке – спектр излучения лазера.

Эрбий ( Er 3+) Система уровней эрбия 4 I Er 3+ 9/2 4 I 4 I 11/2 13/2 Ионы эрбия в кварцевом стекле обладают лазерным переходом 4 I 4 13/2 → I 15/2 ( λ =1. 53 – 1. 6 мкм). Данный спектральный диапазон 4 I совпадает с областью минимальных 15/2 оптических потерь волоконных световодов на основе кварцевого стекла, и поэтому такие световоды являются основой современных волоконно – оптических линей связи. Квантовая эффективность таких световодов приближается к 100%, т. к существуют полупроводниковые источники накачки на 1. 45 - 1. 48 мкм. Высокие коэффициенты усиления данных световодов связаны с большим временем жизни на метастабильном уровне (около 10 мс).

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Er 3+ Рис. 10 Спектры поглощения и люминесценции ионов эрбия в алюмогерманосиликатном кварцевом стекле. • Ионы Er 3+ в кварцевом стекле имеют • • полосу пропускания люминесценции с центром на 1, 53 мкм, что позволяет реализовать волоконные лазеры и усилители для спектрального диапазона 1, 53 – 1, 6 мкм. Максимум полосы поглощения практически совпадает с максимумом спектра люминисценции. В первых работах по реализации эрбиевых волоконных лазеров с накачкой в оболочку использовалась структура с малым диаметром внутренней оболочки, позволяющим добиться высокой степени инверсии. Диаметр внутренней оболочки составил 22 мкм. При мощности накачки 900 м. Вт (λ =980 нм) была получена лазерная генерация мощностью 300 м. Вт на длине волны 1540 нм. Дифференциальная эффективность составила 40%.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Er 3+ Рис. 11 Спектры поглощения и люминесценции ионов эрбия в алюмогерманосиликатном кварцевом стекле. • Выходная мощность ограничивается возможностями ввода мощности накачки во внутреннюю оболочку малого размера. • В спектральной области 1, 56 – 1, 6 мкм (L – полоса) люминесценция доминирует над поглощением. • Это позволяет снизить требования к степени инверсии населенности и использовать активные световоды с большим размером внутренней оболочки, и, следовательно, применять более мощные источники накачки. • В этом случае использовался активный световод с диаметром внутренней оболочки 50 мкм. Была получена лазерная генерация в L – полосе мощностью 1 Вт.

ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ Er 3+ и Yb 3+ Особенности: • Нельзя одновременно поднять концентрацию ионов Er 3+ в сердцевине до уровня, достаточного для эффективного поглощения накачки из первой оболочки, и сохранить при этом приемлемый уровень оптических потерь; • Дополнительное легирование Er – световодов ионами Yb 3+ позволяет существенно увеличить поглощение накачки из первой оболочки (до единиц д. Б/м) и сохранить оптические потери на достаточно низком уровне (десятки д. Б/км); • Излучение накачки при таком способе легирования поглощается, в основном, ионами Yb 3+, т. к. их можно ввести примерно в 10 раз больше и они обладают значительно (в 5 -10 раз) большим сечением поглощения на 975 нм, чем ионы Er 3+. • В таких световодах эффективное поглощение накачки на длине волны 975 нм обеспечивается ионами Yb 3+, которые передают энергию возбуждения ионам Er 3+; • Такая передача оказывается возможной благодаря близости энергетических уровней 2 F 5/2 ионов иттербия и 4 I 11/2 - ионов эрбия. 4 I 9/2 4 F g f e 5/2 4 I 11/2 4 I 13/2 4 F 7/2 Yb 3+ b a d c 4 I 15/2 Er 3+ Рис. 12 Схема уровней ионов Yb 3+ и Er 3+. • Возбужденные ионы Yb 3+ передают энергию ионам Er 3+ , на переходах которых осуществляется генерация.

Волоконные лазеры на основе световодов, легированных ионами Er 3+ и Yb 3+. • Эффективная передача энергии Yb → Er зависит от типа стекла (фосфоросиликатное, алюмосиликатное и др. ) и от абсолютных концентраций ионов Yb 3+ и Er 3+. • Для достижения высоких мощностей генерации Er – Yb лазерах важную роль играет время релаксации ионов Er 3+ из состояния 4 I 11/2 на верхний лазерный уровень 4 I 13/2 : чем оно меньше, тем более высокая мощность может быть достигнута; • Для создания мощных лазеров более пригодной является фосфоросиликатная матрица.

Волоконные лазеры на основе световодов, легированных ионами Er 3+ и Yb 3+. Рис. 13 Схема лазера на двухэлементном МПО-световоде с возвратом излучения. • Диаметр каждого из кварцевых световодов внутри МПО – структуры (МПО – световод с многоэлементной первой оболочкой) составлял 125 мкм. • Излучение накачки вводилось только с одной стороны – навстречу выходному излучению – и только по пассивному световоду. • В некоторых случаях для повышения поглощенной мощности накачки концы пассивного и активного световодов МПО – структуры со стороны, противоположной вводу накачки, сваривались друг с другом для обеспечения возврата излучения накачки в лазер. • Схема с возвратом не поглощенного излучения накачки обеспечивает более равномерное распределение возбужденных ионов по длине лазера по сравнению со случаем, когда применяется стандартный световод с двойной оболочкой без зеркала, возвращающего излучение накачки.

Волоконные лазеры на основе световодов, легированных ионами Er 3+ и Yb 3+. • Длина резонаторов выбиралась исходя из коэффициента поглощения излучения накачки и лежала в пределах 7 – 25 м. • Резонаторы были образованы высокоотражающей БР с длиной волны максимума отражения на 1608 нм с одной стороны и перпендикулярным сколом световода или слабоотражающей решеткой – с другой. • Подавление паразитной генерации и суперлюминесценции ионов Yb 3+ осуществлялось посредством минимизации обратной связи для излучения, не совпадающего с длиной волны 1608 нм. Рис. 14 Зависимость мощности генерации на длине волны 1608 нм от введенной мощности накачки на 975 нм для двух различных Er-Yb лазеров с длиной резонатора Lp = 8 и 15 м . • Массовая концентрация ионов Yb 3+ (Er 3+) в лазере с Lp = 8 м составила 2. 2 (1. 0)%, в лазере с Lp = 15 м – 1. 6 (0. 3)%. • Эффективность обоих лазеров практически одинакова и составляет ~ 20%. • По-видимому, такая низкая эффективность обусловлена наличием в сердцевине ионов Yb 3+ , не передающих энергию ионам Еr 3+ , что проявляется в возникновении суперлюминесценции, а по мере увеличения мощности накачки – и в генерации на ионах Yb 3+ в диапазене 1, 05 – 1, 06 мкм (10 – 50 % ионов Yb 3+).

Гольмий ( Ho 3+) и тулий ( Tm 3+) Ho 3+ 5 J 5 5 J 6 5 J 7 3 H 5 J 7 → 5 J 8 ( λ = 2 мкм) 3 F 8 Время жизни на возбужденном уровне составляет около 0, 5 мс. Существует интенсивная полоса поглощения в области 1. 15 мкм. В качестве источника накачки в этом диапазоне используется иттербиевый волоконный лазер. 5 4 3 H 3 H 5 J Tm 3+ 4 6 Спектральный диапазон возможной лазерной генерации (1850 – 2100 нм). Генерация получена на переходе 3 H 4 → 3 H 6. Накачка осуществляется в полосу, обусловленную переходом на уровень 3 F 4 ( ~ 790 нм), либо на уровень 3 H 5.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Ho 3+ Ионы Ho 3+ имеют переход 5 I 7 → 5 I 8 , который может быть использован для получения лазерной генерации в области 2 мкм. Рис. 15 Спектр люминесценции ионов гольмия в кварцевом стекле при возбуждении излучением криптонового лазера на длине волны 676 нм. Данная длина волны соответствует переходу 5 I 8 → 5 I 4. • Концентрация активной примеси составила 1. 2 х 1019 см-3. • Разность показателей преломления сердцевины и оболочки световода была около 0. 08. • Дифференциальная эффективность – 1. 7 %. • Максимальная выходная мощность 0. 67 м. Вт при поглощенной мощности накачки 85 м. Вт.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Ho 3+ • • • Гольмиевые волоконные лазеры работают по трехуровневой схеме и для получения инверсии населенности необходимо эффективное поглощение накачки. Наиболее сильные полосы поглощения находятся в видимой области, поэтому в первом продемонстрированном гольмиевом лазере накачка осуществлялась аргоновым лазером с λ = 457, 9 нм. Эффективное практическое применение гольмиевых волоконных лазеров требует использования полупроводниковых лазеров для накачки. Существующие мощные источники работают на длинах волн более 750 нм и не могут быть использованы для накачки в полосы поглощения гольмия в видимом диапазоне. Полоса поглощения, локализованная в области 900 нм, представляется малоэффективной вследствие слабого Рис. 16 Спектр поглощения волоконного световода, легированного ионами гольмия. поглощения.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Ho 3+ • В настоящее время наиболее эффективный гольмиевый волоконный лазер создан при накачке в сильную полосу поглощения на 1. 15 мкм излучения иттербиевого волоконного лазера. Эта полоса поглощения соответствует переходу 5 I 8 → 5 I 6. Рис. 17 Схема гольмиевого волоконного лазера, крестиками показаны точки сварки. • В качестве активной среды использовался легированный гольмием световод с концентрацией активной примеси 1, 2 · 1019 см-3. • Брэгговская решетка имела резонансную длину 2001 нм с шириной линии 1 нм и коэффициентом отражения более 99%. • Выходной торец световода был использован в качестве выходного 4%-ого зеркала. • Для накачки в сердцевину гольмиевого волоконного лазера использовался иттербиевый волоконный лазер с λ = 1, 15 мкм и максимальной выходной мощностью 3 Вт.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Ho 3+ • На рисунке 18 представлена зависимость выходной мощности гольмиевого лазера от поглощенной мощности накачки иттербиевого лазера для длины волны резонатора 4, 5 м. • Максимальная выходная мощность 280 м. Вт была достигнута при поглощенной мощности накачки 2 Вт, дифференциальная эффективность составила 20%. Рис. 18 Зависимость выходной мощности гольмиевого волоконного лазера в области 2 мкм от поглощенной мощности накачки. На вставке – спектр излучения лазера. • Длина волны генерации определялась резонансной длиной волны брэгговской решетки, ширина линии излучения лазера была около 0, 4 нм.

Гольмиевые лазеры с использованием дополнительного легирования ионами Tm 3+ Рис. 19 Диаграмма энергетических уровней в системе Tm 3+ , Ho 3+. • В последние несколько лет были реализованы и исследованы гольмиевые лазеры с использованием дополнительного легирования ионами тулия и иттербия. • Накачка осуществлялась диодами накачки в полосы поглощения данных элементов с передачей возбуждения ионам гольмия. Рис. 20 Спектр излучения для Tm-Ho волоконного лазера (сплошная волоконного лазера кривая) и для Tm (пунктирная кривая).

Гольмиевые лазеры с использованием дополнительного легирования ионами Tm 3+ • Для создания лазера использовались волоконные световоды с концентрацией Tm 3+ 1, 6%. • Соотношение концентраций Tm 3+ : Ho 3+ равнялась 10: 1. • Для накачки был использован лазерный диод мощностью 50 Вт, работающий на длине волны 805 нм. Рис. 21 Зависимость выходной мощности Tm 3+ : Ho 3+ волоконного лазера с длиной активного световода 7 м от уровня накачки. • Максимальная выходная мощность 5, 2 Вт при дифференциальной эффективности 42%. • Максимальная выходная мощность была получена на длине волны 2105 нм при ширине линии усиления ~ 20 нм.

Гольмиевые лазеры с использованием дополнительного легирования ионами Yb 3+ • Соотношение концентраций ионов Yb 3+ : Ho 3+ было 10: 1. Концентрация Ho 3+ была равна 0, 001%. • Диаметр сердцевины активного световода был равен 22 мкм, числовая апертура 0, 18. Диаметр оболочки 305 мкм. • Накачка осуществлялась лазерным диодом мощностью 50 Вт, работающим на длине волны 975 нм. • Максимальная дифференциальная эффективность 12, 5% была измерена при длине активного световода 1, 12 м. • Максимальная выходная мощность 0, 85 Вт при мощности накачки 11 Вт. Рис. 22 Диаграмма энергетических уровней в системе Yb 3+ , Ho 3+. Рис. 23 Зависимость выходной мощности от мощности накачки для Yb 3+ , Ho 3+ волоконного лазера.

Лазеры на основе световодов , легированных ионами Tm 3+ Рис. 24 Спектр поглощения волоконного световода, легированного ионами тулия. На вставке – спектр люминесценции. - Генерация в области 1. 8 – 2. 0 мкм осуществляется по трехуровневой схеме. - Имеется мощная полоса поглощения с центром на 787 нм, обусловленная переходом 3 H 4 → 3 F 4. - Центр полосы поглощения приходится в область 1600 нм, а центр линии люминесценции - в область 1800 нм (для перехода 3 Н 4 - 3 Н 6). Ширина линии люминесценции составляет около 300 нм. - Реализован лазер с выходной мощностью 14 Вт на длине волны 2 мкм при мощности накачки 36, 5 Вт на длине волны 787 нм, дифференциальная эффективность составила 46 %.

Тулиевый волоконный лазер Рис. 25 Схема энергетических уровней ионов Yb 3+ и Tm 3+. При создании тулиевых волоконных лазеров на световодах с двойной оболочкой используются две схемы накачки: 1. Накачка лазера на световоде, легированном ионами Tm 3+ , через первую оболочку излучением многомодовых лазерных диодов с длиной волны ~ 800 нм. 2. Накачка лазера на световоде, легированном одновременно ионами Yb 3+ и Tm 3+ , через первую оболочку излучением многомодовых лазерных диодов с длиной волны 975 нм.

Тулиевый волоконный лазер Рис. 26 Схема энергетических уровней ионов Yb 3+ и Tm 3+. • • При накачке по схеме 1 ионы Tm 3+ возбуждаются из основного состояния 3 Н 6 в состояние 3 Н 4. • Затем из состояния 3 Н 4 ионы переходят на верхний лазерный уровень как путем комбинации излучательных и безизлучательных переходов, так и за счет кросс - релаксации с одновременным переходом одного иона вниз с уровня 3 Н 4 на верхний лазерный уровень 3 F 4 и другого – вверх с основного уровня 3 Н 6 также на верхний лазерный уровень 3 F 4 . • При накачке по схеме 2 излучение на длине волны 975 нм сначала поглощается ионами Yb 3+ на переходе 2 F 7/2 → 2 F 5/2 , а затем возбуждение передается ионам тулия и переводит их в состояние 3 Н 5 с последующим безизлучательным переходом на верхний лазерный уровень 3 F 4 . • Накачка по этой схеме требует использования специального лазерного световода, содержащего одновременно ионы иттербия и тулия. • Её преимуществом является возможность использования систем накачки иттербиевых лазеров для накачки тулиевых.

Тулиевый волоконный лазер Рис. 27 Зависимость нормированного коэффициента поглощения тулиевого световода от длины волны в области около 1200 нм, соответствующей переходу 3 H 6 → 3 H (сплошная линия), а также примерное положение 5 полос поглощения из возбужденного состояния. • • Существуют и другие возможности накачки ионов Tm 3+. Одна из них - использование линии поглощения 3 Н 6 → 3 Н 5 ионов Tm 3+ с центром около λ = 1, 21 мкм. • Максимальное сечение поглощения в этой полосе примерно в 2 раза меньше, чем в полосе 3 Н 6 → 3 Н 4 . В настоящее время отсутствуют мощные лазерные диоды с длиной волны излучения в этой области. • Однако, полоса поглощения 1, 21 мкм достаточно широка (примерно 0, 3 мкм). Поэтому для накачки тулиевых лазеров можно использовать различные одномодовые источники непосредственно в сердцевину световода, легированного ионами Tm 3+ . • Такая возможность исследовалась при накачке одномодовым излучением (λ = 1064 нм) неодимового лазера и излучением (λ = 1210 нм) волоконного ВКР – лазера.

Тулиевый волоконный лазер Рис. 28 Зависимость нормированного коэффициента поглощения тулиевого световода от длины волны в области около 1200 нм, соответствующей переходу 3 H 6 → 3 H (сплошная линия), а также примерное положение 5 полос поглощения из возбужденного состояния. • При накачке в полосу 3 H 6 → 3 H 5 излучением твердотельного Nd: YAG - лазера (λ = 1064 нм) при выходной мощности 1 Вт на длине волны 2 мкм дифференциальная эффективность составила 37%. • Наличие в области λ = 1, 1 мкм линии поглощения из возбужденного состояния может накладывать существенные ограничения на КПД подобных схем. • Положение и форма полос поглощения существенно определяется составом стекла сердцевины. • Более высокой эффективности генерации можно ожидать при использовании длин волн накачки, удаленных от полос поглощения излучения из возбужденного состояния. • При накачке одномодовым излучением на λ = 1, 57 мкм в полосу поглощения 3 H 6 → 3 F 4 максимальная дифференциальная эффективность генерации составила 71%. • однако, излучение в области 1, 6 мкм может быть получено, главным образом, с помощью эрбиевого волоконного лазера, который сам не отличается высокой эффективностью.

Одномодовый тулиевый волоконный лазер ВОЛОКОННЫЙ ТУЛИЕВЫЙ ЛАЗЕР с накачкой на длине волны 1230 нм. • Представляет интерес лазер на тулиевом световоде с накачкой на длине волны λ = 1, 23 мкм, лежащей в области длинноволнового крыла линии поглощения 3 Н 6 → 3 Н , наиболее удаленной от возможного положения линий поглощения ионов 5 тулия из возбужденного состояния. • В качестве активного элемента тулиевого лазера использовался волоконный световод на основе кварцевого стекла, сердцевина которого была легирована Al 2 O 3 с весовым содержанием 4%, Ge. O 2 – 1, 5% и Tm 2 O 3 – 0, 8%. • Световод был изготовлен методом MCVD, все легирующие элементы вводились из газовой фазы. • Диаметр сердцевины составлял 16 мкм. Рис. 29 Спектры люминесценции перехода 3 F 4 → 3 Н , 1 – спектр для световода с параметрами из 6 предыдущего слайда при накачке на длине волны 1. 23 мкм; 2, 3 – спектры вычисленные по литературным данным о сечении люминесценции. • Максимум линии люминесценции соответствует длине волны 1765 нм; • Измеренное время жизни верхнего лазерного уровня 3 F 4 равно 670 мкс; • Времена жизни, также как и спектры люминесценции очень сильно зависят от состава стекла и в разных световодах могут отличаться более, чем в три раза.

Одномодовый тулиевый волоконный лазер с накачкой на длине волны 1230 нм. Рис. 30 Схема волоконного тулиевого лазера: 1 – одномодовый волоконный иттербиевый лазер с длиной волны 1058 нм; 2 – фосфоросиликатный световод; 3 – тулиевый световод; 4 – выходной торец тулиевого световода. • В качестве источника излучения накачки для тулиевого лазера использовался однокаскадный волоконный ВКР – лазер, который, в свою очередь накачивался одномодовым излучением волоконного иттербиевого лазера. • ВКР – лазер был изготовлен на основе фосфоросиликатного световода длиной 50 м. Брэгговские решетки показателя преломления были записаны непосредственно в световоде. • Источником накачки ВКР – лазера служил непрерывный одномодовый волоконный иттербиевый лазер с длиной волны 1058 нм и выходной мощностью до 32 Вт. • На выходе ВКР – лазера выходная мощность составляла до 20 Вт на длине волны 1231 нм. • Резонатор лазера был образован брэгговской решеткой показателя преломления со стороны ввода излучения накачки и сколом торца световода с противоположной стороны. • Длина волны генерации в такой схеме определялась резонансной длиной волны брэгговской решетки (1956 нм). • Длина активного световода подбиралась экспериментально с целью достижения максимальной эффективности и оказалась равной ~ 1 м.

Одномодовый тулиевый волоконный лазер с накачкой на длине волны 1230 нм. Рис. 31 Зависимость выходной мощности тулиевого лазера от мощности излучения накачки. На врезке показано относительное положение линии люминесценции ионов тулия и линии генерации лазера. • Пороговая мощность накачки – 860 м. Вт; • Дифференциальная эффективность (по отношению к мощности излучения накачки, введенного в тулиевый световод) - 37%; • Максимальная выходная мощность – 7 Вт для длины волны 1956 нм при мощности накачки 20 Вт. • Спектральная ширина линии генерации определялась шириной линии отражения брэгговской решетки показателя преломления и составляла около 1 нм. • Генерация происходила в одномодовом режиме, несмотря на сравнительно большую длину волны отсечки второй моды используемого световода (~ 3, 0 мкм).

Непрерывный висмутовый волоконный лазер В связи с необходимостью расширения спектрального диапазона волоконно-оптических линий связи: - возрастает потребность в активном освоении второго телекоммуникационного окна прозрачности (1. 20 – 1. 35 мкм), которое характеризуется достаточно низкими оптическими потерями и малой хроматической дисперсией; - возникает необходимость создания для этой области эффективных лазеров и усилителей на основе активных световодов из кварцевого стекла, совместимых со стандартными телекоммуникационными волокнами. Значительный прогресс в освоении спектрального диапазона 1. 20 – 1. 35 мкм возможен при использовании в качестве активной среды волоконных световодов, легированных висмутом. • Заготовки для одномодового волоконного световода изготавливались методом химического осаждения из газовой фазы (МСVD) с использованием опорной трубы из кварцевого стекла; • Сердцевина заготовок формировалась осаждением оксидов алюминия и кремния из газовой фазы; • Легирование оксидом висмута осуществлялось методом пропитки пористого слоя стекла сердцевины раствором солей висмута. Молярная концентрация оксида висмута в стекле сердцевины не превышала 0, 1%.

Непрерывный висмутовый волоконный лазер Рис. 32 Спектры оптических потерь для алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, в зависимости от концентрации висмута. Рис. 33 Спектры оптических потерь для фосфоросиликатных световодов, легированных висмутом, в зависимости от концентрации висмута.

Непрерывный висмутовый волоконный лазер Рис. 34 Схема энергетических переходов для трех АВЦ в алюмосиликатном стекле. Высота прямоугольников соответствует ширине полос поглощения и люминесценции, сплошные линии обозначают переходы при поглощении и испускании, пунктирные линии - безизлучательные переходы, цифрами указаны длины волн переходов в нм.

Непрерывный висмутовый волоконный лазер Рис. 35 Спектры сечения поглощения и люминесценции в алюмосиликатном световоде, активированном висмутом. Световоды имеют характерные полосы поглощения в области 500, 700, 800 и 1000 нм. • Люминесценция при возбуждении в области 1000 нм наблюдается в полосе шириной 150 нм с максимумом в районе 1150 нм и временем жизни около 1 мс. • Максимальное сечение люминесценции на длине волны 1150 нм составляет 6 х 10 -21 см 2. • Данное значение сопоставимо с сечением люминесценции Er 3+ в районе 1. 5 мкм в волоконных световодах, легированных эрбием.

Непрерывный висмутовый волоконный лазер Рис. 36 Схема лазера с резонатором, образованным брэгговскими решетками. • непрерывная лазерная генерация была получена на длинах волн 1146, 1215, 1250 и 1300 нм при накачке λр = 1064 нм; • коэффициент поглощения на длине волны накачки в использованном отрезке световода составлял 55 д. Б; • генерационные характеристики измерялись на длинах волн 1146 нм и 1215 нм; • Максимальная выходная мощность, полученная при мощности накачки около 5 Вт, была равна 460 м. Вт на λ = 1146 нм и 400 м. Вт – λ = 1215 нм; • Дифференциальная эффективность 10. 2% получена для λ = 1146 нм и 14. 3% -для λ = 1215 нм. Рис. 37 Зависимость выходной мощности волоконного лазера на λ = 1146 нм от мощности накачки на λр = 1064 нм, введенной в световод.

Непрерывный висмутовый волоконный лазер Рис. 38 Схема кольцевого лазера с использованием волоконно-оптического ответвителя для формирования резонатора. Рис. 39 Эволюция спектра генерации при увеличении мощности накачки (сверху вниз). Спектральное разрешение 0. 5 нм.

Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в области 1. 3 мкм • Реальное оптическое усиление в алюмосиликатных волоконных световодах, легированных висмутом (ASB-световоды) было продемонстрировано в спектральном диапазоне 1. 15 - 1. 215 мкм. • В ASB – световодах спектр люминесценции охватывает диапазон длин волн 1000 -1300 нм. • Для дальнейшего продвижения в ИКобласть спектра в качестве активной среды (и сердцевины волоконного световода) были выбраны фосфорогерманосиликатные стекла, легированные висмутом (PGSB) и не содержащие оксида алюминия. • Одномодовые световоды имели диаметр сердцевины 4, 5 мкм. • ИК люминесценция наблюдалась в PGSB – волоконных световодах при оптической накачке на длине волны 808 или 1058 нм. Рис. 40 Спектры люминесценции легированных висмутом ASB- и PGSBсветоводов при оптической накачке излучением с различными длинами волн (1 - 4) (длины волн накачки указаны над кривыми и даны в мкм); 5 -7 – спектры усиления в ASB-световоде ( 5 - длина световода L = 20 м, λр = 1058 нм) и PGSBсветоводах ( 6 – L = 30 м, λр = 1230 нм; 7 – L = 13 м, λр = 808 нм). Мощность накачки во всех случаях равна 50 м. Вт.

Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в области 1. 3 мкм • Спектры поглощения PGSB-световодов также существенно отличаются от спектров поглощения ASB-световодов. Рис. 41 Оптические потери в волоконных ASB- и PGSBсветоводах, легированных висмутом. • ASB-световоды характеризуются наличием полос поглощения на 500, 700 и 800 нм, а также полосой поглощения в области 1000 нм. • В PGSB-световодах полосы поглощения на 500 и 700 нм в явном виде отсутствуют, но существуют на 450, 800 и 950 нм; есть также сложная полоса поглощения в области 1100 – 1500 нм, которая очевидно включает в себя и поглощение присутствующих в сердцевине световода групп ОН на ~ 1240 и ~ 1400 нм. • При накачке на длине волны 1230 нм наблюдалась широкополосная люминесценция в полосе 1236 -1460 нм (рис. 40, кривая 3), связанная, очевидно, с висмутом активного центра. • Измерены спектры оптического усиления (on/off) слабого сигнала в полосе 1100 – 1400 нм в PGSBсветоводах и для сравнения – в ASB-световодах (рис. 40, кривые 5 -7).

Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в области 1. 3 мкм Создан висмутовый лазер на PGSB-световоде. • В качестве активной среды висмутового волоконного лазера использовался отрезок PGSV-световода длиной 30 м с приваренными к нему волоконными брэгговскими решетками. • Одна из решеток имела коэффициент отражения, близкий к 100%, а другая (выходная) – 50%. • В качестве накачки использовалось излучение одномодового волоконного лазера на длине волны 1230 или 1205 нм, которое вводилось в сердцевину. • Источником накачки служил волоконный ВКР-лазер (λр = 1230 нм) или висмутовый волоконный лазер на ASV-световоде с длиной волны генерации 1205 нм. Рис. 42 Оптические спектры излучения на выходе волоконных лазеров при генерации на длине волны λg =1310 нм и накачкой на λр = 1230 нм (лазер 1), λg = 1345 нм и λр = 1230 нм (2), λg = 1310 нм и λр = 1205 нм (3).

Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в области 1. 3 мкм • В трех схемах волоконных лазеров, различающихся резонансными длинами волн брэгговских решеток и длинами волн накачки наблюдалась генерация лазерного излучения в полосе усиления PGSB-световода. • В лазере 1 накачкой служило излучение на 1230 нм, а генерация наблюдалась на 1310 нм. Пороговая мощность накачки составляла около 150 м. Вт. • Дифференциальная эффективность генерации по отношению к поглощенной мощности составляла ~ 3. 2% при комнатной температуре и мощности накачки меньше 1 Вт. • В лазере 2 накачкой служило излучение на длине волны 1230 нм, а генерация наблюдалась на 1345 нм. Длина волны 1345 нм соответствовала максимуму коэффициента усиления висмутового световода ( кривая 6 ). • Эффективность висмутового лазера в такой схеме оказалась существенно ниже и при Т=300 К составила 0. 8%, пороговая мощность накачки равнялась ~ 200 м. Вт, а максимальная выходная мощность была равна 30 м. Вт при мощности накачки 3. 7 Вт. • В лазере 3 для накачки использовалось излучение висмутового лазера на ASB – световоде (длина волны 1205 нм), а лазерный резонатор был настроен на длину волны 1310 нм ( как в лазере 1). При Т = 300 К дифференциальная эффективность составила 1. 4 % при пороговой мощности накачки ~ 200 м. Вт и максимальной выходной мощности 2 м. Вт. • Низкая эффективность лазеров может объясняться как высоким уровнем нерезонансных оптических потерь, так и, возможно, диссипацией мощности накачки в самих висмутовых центрах.

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • Для систем волоконной связи наибольший интерес представляет диапазон 1300 − 1530 нм. • Для получения в нем оптического усиления и генерации в качестве материала сердцевины используется фосфорогерманосиликатное стекло, легированное висмутом (стекло ФГСВ) и германосиликатные световоды, легированные висмутом (ГСВ - световоды). • Проблема – выяснить насколько далеко в длинноволновую область может простираться полоса усиления висмутовых световодов. • Для этого исследовалась возможность создания висмутовых лазеров на длины волн 1500, 1520 и 1550 нм. • Световоды изготавливались по MCVD – технологии. Сердцевина световода состояла из кварцевого стекла с добавками Ge, P и Bi, атомные концентрации которых составляли соответственно 5%; 0, 5% и 0, 02%.

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • Спектр поглощения одномодового ФГСВ - световода представлен на рис. 43. Спектр содержит полосы с максимумами на 450, 770, 950 нм и полосу сложной формы в диапазоне 1100 − 1500 нм. • С целью поиска оптимальной длины волны накачки ФГСВ световода для получения лазерной генерации в длинноволновой области были измерены спектры люминесценции этого световода при накачке в различные полосы поглощения. • Полученные спектры люминесценции ФГСВ - световода при накачке на = 532, 800, 925 и 1230 нм также представлены на рис. 43. Рис. 43. Спектры люминесценции одномодового ФГСВ - световода при возбуждении на длинах волн 532 (1), 925 (2), 800 (3) и 1230 нм (4); 5 - спектр оптических потерь ФГСВ - световода, Длины волн накачки отмечены стрелками.

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • При накачке на = 532 нм люминесценция наблюдается в очень широком диапазоне длин волн – от 600 до 1700 нм. • При накачке на = 532 и 925 нм наблюдается полоса люминесценции с длиной волны = 1180 нм. • Более длинноволновая полоса люминесценции (1200 - 1500 нм, = 1400 нм) возбуждалась при = 800 и 1230 нм. Причем при = 800 нм наблюдалась только длинноволновая часть этой полосы, отвечающая висмутовым активным центрам (ВАЦ) в материале сердцевины, ассоциированным с атомами германия и кремния. • При = 1230 нм возбуждалась как коротковолновая, так и длинноволновая часть этой полосы, что указывает на одновременное возбуждение ВАЦ, связанных с атомами фосфора и атомами германия. Кроме того, при = 925 нм наблюдалась еще одна полоса люминесцен ции ФГСВ - световода с 1600 нм. Рис. 43. Спектры люминесценции одномодового ФГСВ - световода при возбуждении на длинах волн 532 (1), 925 (2), 800 (3) и 1230 нм (4); 5 - спектр оптических потерь ФГСВ - световода. Длины волн накачки отмечены стрелками.

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • Следует отметить, что форма спектра люминесценции стекла сердцевины ФГСВ - световода (особенно соотношение амплитуд полос люминесценции с 1180 и ~ 1600 нм) существенно зависела от интенсивности излучения накачки (рис. 44). Рис. 44. Спектры люминес- ценции стекла сердцевины ФГСВ - световода при накачке на = 925 нм в заготовке, = 50 Вт/см 2; (1), в многомодовом световоде, = 80 Вт/см 2 (2), в многомодовом световоде, = 4 к. Вт/см 2 (3) и в световоде, 400 к. Вт/см 2 (4). одномодовом =

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • Из сердцевины преформы световода и многомодового волоконного световода из ФГСВ стекла при сравнительно низкой интенсивности накачки на = 925 нм наблюдалось, главным образом, излучение с пиком на 1600 нм (рис. 44, линии 1 и 2). • Повышение интенсивности накачки в многомодовом и одно-модовом световодах приводило к относительному возрастанию пика с 1180 нм. Интенсивность же люминесценции на 1600 нм в одномодовом световоде была примерно в 2, 5 раза ниже, что может свидетельствовать о различии интенсивностей насыщения переходов в ВАЦ, ответственных за указанные полосы люминесценции. • На основании полученных данных о люминесценции мы выбрали для дальнейших экспериментов с волоконными лазерами на ФГСВ - световодах длины волн накачки = 925 и 1230 нм. • Висмутовые волоконные лазеры (ВВЛ) были собраны по стандартной для таких экспериментов линейной схеме с брэгговскими решетками (БР) показателя преломления в качестве зеркал. • Длина волны генерации определялась резонансной длиной волны БР. В качестве источника излучения накачки использовался волоконный ВКР - лазер с = 1230 нм или неодимовый волоконный лазер с = 925 нм. • В обоих случаях излучение накачки было одномодовым и вводилось непосредственно в сердцевину активного висмутового световода. Использовались 30 - и 13 - метровые отрезки ФГСВ - световода при накачке на 1230 и 925 нм соответственно. Коэффициент отражения одной из БР был близок 100 %, а у другой составлял ~ 90%.

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • При = 1230 нм наблюдалась лазерная генерация на длинах волн = 1500 и 1520 нм при комнатной температуре, пороговая мощность изучения накачки составляла 200 − 300 м. Вт. • Зависимости выходной мощности от мощности накачки и спектры генерации этих ВВЛ представлены на рис. 45. В этих же условиях получить генерацию на = 1550 нм не удалось. Порог генерации на данной длине волны превышал 4 Вт. Рис. 45. Зависимости мощности излучения ВВЛ на = 1500 нм, дифференциальный КПД 4, 2% (1) и на = 1520 нм, дифференциальный КПД 1, 6% (2) от мощности накачки с = 1230 нм. На вставке показаны спектры излучения генерации ВВЛ на ФГСВ - световоде с = 1500 нм ( = 1230 нм), = 1520 нм ( = 1230 нм) и = 1550 нм ( = 925 нм).

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • • Спектр поглощения ГСВ - световода (рис. 46) качественно похож на спектр поглощения ФГСВ - световода. Здесь присутствует ИК полоса поглощения в диапазоне 1200 − 1500 нм, при накачке в которую наблюдается ИК люминесценция в полосе 1300 − 1500 нм. • Используя излучение накачки с = 1230 нм и схему волоконного лазера, описанную выше, удалось получить лазерную генерацию на 30 - метровом отрезке ГСВ - световода на длине волны 1500 нм. Порог генерации составил 60 м. Вт, дифференциальный КПД при комнатной температуре был равен 3 %. Рис. 46. Спектры оптических потерь (1) и люминесценции (2) ГСВ - световода при накачке на = 1230 нм.

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. • Для получения генерации в еще более длинноволновой области использовалось излучение накачки с = 925 нм. Была собрана схема ВВЛ на ФГСВ - световоде с накачкой на 925 нм и получена генерация на длине волны 1550 нм. Пороговая мощность накачки составила около 200 м. Вт. • Спектр излучения на выходе лазера представлен на рис. 45 (вставка). Определить КПД лазера не удалось, поскольку в данных экспериментах максимальная мощность накачки была лишь незначительно выше пороговой. Рис. 45. Зависимости мощности излучения ВВЛ на = 1500 нм, дифференциальный КПД 4, 2% (1) и на = 1520 нм, дифференциальный КПД 1, 6% (2) от мощности накачки с = 1230 нм. На вставке показаны спектры излучения генерации ВВЛ на ФГСВ - световоде с = 1500 нм ( = 1230 нм), = 1520 нм ( = 1230 нм) и = 1550 нм ( = 925 нм).

Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470 -1550 нм. Таким образом, к настоящему времени созданы висмутовые волоконные лазеры с длинами волн генерации в диапазоне 1470 − 1550 нм. Продемонстрирована возможность использования полосы поглощения с центром на ~ 950 нм для накачки волоконных лазеров на ФГСВ - световодах. • • Создание лазеров на висмутовых световодах, генерирующих в диапазоне 1300 − 1550 нм, является прямой демонстрацией наличия реального оптического усиления на этих длинах волн. • Тем самым показана принципиальная возможность применения волоконных световодов, легированных висмутом, в качестве широкополосных усилителей в диапазоне 1300 − 1550 нм, т. е. одновременно в О-(1260 -1360 нм), Е-(1360 -1460 нм), S-(1460 -1530 нм) и частично в С-(1530 -1565 нм) диапазонах окна прозрачности телекоммуникационных световодов.