Реферат волоконний лазер

1 Історія
2 Принципи роботи
- 2.1 Загальна схема
- 2.2 Активне волокно
- 2.3 Накачування
- 2.4 Резонатори типу Фабрі - Перо
  - 2.4.1 Резонатори з використанням діелектричних дзеркал
  - 2.4.2 Резонатор з використанням волоконних брегговскіх решіток
3 Технічні особливості
- 3.1 Однополязізаціонние лазери
- 3.2 Up-конверсія
- 3.3 ВКР-лазери
- 3.4 Волоконні лазери на фотонних кристалах
4 Застосування
- 4.1 Переваги і недоліки
- 4.2 Сфери застосування
Примітки
література

Цельноволоконний фемтосекундний ербієвий лазер.

Волоконний лазер - лазер, активне середовище і, можливо, резонатор якого побудовані на базі оптичного волокна. При повністю волоконної реалізації такої лазер називається цельноволоконним, при комбінованому використанні волоконних і інших елементів в конструкції лазера він називається волоконно-дискретним або гібридним.

1. Історія

2. Принципи роботи

2.1. Загальна схема

Типова схема волоконного лазера (рис. 1) і підсилювача (рис. 2). М1 і М2 - бреггівськими дзеркала, А - активне волокно, Д - діод накачування.

Волоконний лазер складається з модуля накачування (як правило, широкосмугові світлодіоди або лазерні діоди), світловода, в якому відбувається генерація, і резонатора. Световод містить активну речовину (легірованнное оптичне волокно - серцевина без оболонки, на відміну від звичайних оптичних хвилеводів) і хвилеводи накачування. [5] Конструкція резонатора зазвичай визначається технічним завданням, але можна виділити кілька класів найбільш поширених: резонатори типу Фабрі - Перо і кільцеві резонатори. [6] У промислових установках для підвищення вихідної потужності іноді об'єднують кілька лазерів в одній установці для отримання більшої потужності. [7]

2.2. активне волокно

Висока прозорість кварцу - основного матеріалу для оптичних волокон - забезпечується насиченими станами енергетичних рівнів атомів. Домішки, що вносяться легированием, перетворюють кварц в поглинає середу. Підібравши потужність випромінювання накачування, в такому середовищі можна створити інверсне стан заселеності енергетичних рівнів (тобто, більш деякі високоенергетичні рівні будуть заповнені більше, ніж основний). Виходячи з вимог на резонансну частоту (інфрачервоний діапазон в для телекомунікацій) і малу порогову потужність накачування, як правило, легування виполянют рідкоземельними елементами групи лантаноїдів. Одним з поширених типів волокон є ербіевого, яке використовується в лазерних і підсилюючих системах робочий діапазон яких лежить в інтервалі 1530-1565 нм. В підсилювачах необхідно розрізняти корисний сигнал і сигнал накачування, тому накачування виробляється на більш високих частотах. Останнє є причиною, по якій звичайна дворівнева система накачування в волоконних підсилювачах не застосовується. В наслідок різної ймовірності переходів на основний рівень з підрівнів метастабильного, ефективність генерації або посилення різна для різних довжин хвиль в робочому діапазоні. [8]

2.3. накачування

Існують різні конструкції накачування оптичних хвилеводів, з яких найбільш вживаними є чисто волоконні конструкції. Одним з варіантів є розміщення активного волокна всередині декількох оболонок, з яких зовнішня є захисною (так зване оптоволокно з подвійним покриттям (англ. Double-clad fiber)). Перша оболонка виготовляється з чистого кварцу діаметром в декілька сотень мікрометрів, а друга - з полімерного матеріалу, показник заломлення якого підбирається істотно меншим, ніж у кварцу. Таким чином перша і друга оболонки створюють багатомодовий хвилевід з великим поперечним перерізом і числовою апертурою, в який запускається випромінювання накачування. Ефективне збудження іонів рідкоземельних елементів досягається підбором діаметрів активної серцевини і хвилеводу накачування. За такою технологією можна отримати вихідну потужність близько 100 Вт.

Схема накачування лазера, заснованого на волокні з подвійним покриттям

Два різних типи оптичних волокон для волоконних лазерів (не в масштабі). Зліва: звичайна схема з одним волноводом накачування, оптоволокно з подвійним покриттям (англ. Double-clad fiber). Справа: схема технології GTWave з двома хвилеводами накачування (для прикладу). 1. серцевину, легована рідкісноземельними іонами. 2. Хвилевід накачування. 3. Загальна оболонка. 4. Захисна оболонка.

Великі потужності накачування досягаються за допомогою технології GTWave. В одну захисну оболонку вбудовується кілька серцевина волноводов, одна з яких є активним середовищем, а інші - хвилеводами накачування. Накачування здійснюється завдяки еванесцентні полю, проникаючого в активне середовище через їх стінки. Особливістю технології є можливість введення випромінювання накачування через обидва торця кожного з волноводов накачування і відсутність необхідності в WDM-відгалужувачів. [5] [9]

2.4. Резонатори типу Фабрі - Перо

Резонатори, засновані на інтерферометрі Фабрі - Перо, є одними з найбільш поширених. [10] Відмінності між ними полягають в способі створення дзеркал резонатора.

2.4.1. Резонатори з використанням діелектричних дзеркал

У перших волоконних лазерах для створення резонатора Фабрі - Перо застосовувалися діелектричні дзеркала (англ.) Рос. завдяки можливості створювати їх практично прозорими на довжині хвилі накачування 0,82 мкм зберігаючи при цьому високий коефіцієнт відбиття на довжині хвилі генерації 1,088 мкм (такими були параметри лазерів, де застосовувалося волокно, леговане іонами Nd 3+). Спочатку волокно розміщувалося між дзеркалами, однак таку конструкцію було складно юстіровать. Часткове вирішення проблеми полягала в нанесенні діелектричних дзеркал безпосередньо на торці волокна, що, однак, підвищувало ризик їх пошкодження потужним сфокусованим випромінюванням накачування і посилювали вимоги до обробки торців оптоволокна. Проблема захисту дзеркал іноді вирішувалася застосуванням WDM-ответвителей. [6]

2.4.2. Резонатор з використанням волоконних брегговскіх решіток

Резонатор усередині оптичного волокна створюється парами внутріволоконних брегговскіх решіток - ділянок оптичного хвилеводу, в якій створюється структура з модульованим показником заломлення. Ділянки зі зміненим показником заломлення (штрихи) розташовуються перпендикулярно осі хвилеводу. Відображення від такої структури відбувається на довжині хвилі

де neff - ефективний показник заломлення основний моди, ΛB - період решітки. Характер відображення (повне або часткове), буде залежати від її параметрів. Ширина спектра відбиття при великій кількості штрихів стає пропорційною коефіцієнту зв'язку κ. пов'язаним з коефіцієнтом відображення співвідношенням

де L - довжина решітки. На практиці створена всередині волокна бреггівськими решітка має дещо інші параметри, так як саме її створення змінює ефективний показник заломлення в місці знаходження решітки, і таким чином, саму її резонансну довжину хвилі. Для внутріволоконних решіток є небезпечними високі температури. Хоча в цілому, температура руйнування решітки істотно залежить від способу її створення і матеріалу волокна, найчастіше критичні температури лежать в діапазоні 300-600 ° C. [5] [11] Селективність по частоті брегговскіх решіток дозволяє отримати лазер, що працює на одній поздовжньої моді з вузькою частотної смугою генерації. [12]

У волоконних ВКР-лазерах іноді створюють більше однієї пари брегговскіх решіток на різні довжини хвиль для досягнення більшого порядку розсіювання (кожен наступний порядок розсіювання змінює довжину хвилі фотонів, що дозволяє досягти необхідну довжину хвилі). [5]

3. Технічні особливості

3.1. Однополязізаціонние лазери

Навіть в одномодовом волокні існує зв'язок між модами з близькими постійними поширення і ортогональними поляризациями. Для волоконно-оптичних ліній зв'язку це є чинником, що обмежує пропускну здатність і довжину, так як кращим є збереження поляризації при поширенні імпульсу по волокну. [13]

Поляризація випромінювання волоконного лазера в загальному випадку залежить від багатьох факторів, зокрема від потужності накачування, і не є лінійної. Часто використовуваним методом придушення однієї з ортогональних полязацій є застосування внутріволоконного поляризатора. В його ролі виступає металева нитка певного перерізу (наприклад, у формі латинської букви D), вбудована в волокно і простягнута вздовж його серцевини. Воно викликає омические втрати для поляризації, ортогональної до поверхні нитки. Для створення іншого типу волоконного поляризатора, заснованого на тому ж фізичному принципі, оптоволокно обробляється таким чином, що на відстані порядку довжини хвилі від серцевини утворюється полірована поверхня, на яку напилюється шар металу. Експериментальні дослідження описаних конструкцій показували різницю амплітуд поляризаций до 25 дБ в інфрачервоному діапазоні при вихідний потужності порядку декількох милливатт і ККД близько 25%. [14]

Принципово інший метод полягає в використанні оптичних волокон з сильним двулучепреломленіем мод. Це волокна, в яких штучно створена асиметрія каналу поширення світла, наприклад, шляхом створення еліптичної серцевини, або бічних виїмок, що викликають механічні напруги в волокні в певному напрямку. У них моди з різною поляризацією мають різні постійні поширення. Генерації необхідної поляризації домагаються використанням внутріволоконних брегговскіх решіток, в яких коефіцієнт відображення залежить від поляризації для резонатора Фабрі - Перо. [13] [14]

3.2. Up-конверсія

Up-конверсійними (ап-конверсійними) називають лазери, в яких довжина хвилі випромінювання менше, ніж довжина хвилі накачування (в більшості звичайних лазерів, накачують світлом, реалізується протилежна ситуація). Up-конверсійна схема накачування полягає в поглинанні активним середовищем декількох фотонів, внаслідок чого енергія переходу c кінцевого енергетичного рівня перевищує енергію кожного з поглинених фотонів. У волоконних лазерах її застосування часто вимагає використання флюорідних волокон (ZBLAN). Up-конверсія використовується в тулій-, ербій- і празеодім / иттербий-легування лазерах. [15] Необхідно відзначити, що кожен енергетичний рівень іона, використовуваного для генерації, є розширеним внаслідок взаємодії з матрицею. Ап-конверсія становить значний інтерес, оскільки дозволяє створювати лазери, що працюють в синій області спектра при використанні накачування в червоному або інфрачервоному діапазоні. [16]

Типова схема накачки Туліїв активного волокна (активними центрами є іони Tm 3+) при трёхфотонном поглинанні фотонів 1,06 мкм полягає в переходах,,. Проміжні переходи і є релаксаційним. Результатом є генерація потужного випромінювання на довжині хвилі 475 нм на переході. Двухфотонная поглинання квантів з довжиною хвилі 660 нм призводить до переходів і з подальшим випромінюванням кванта світла 460 нм. [17] [16]

Празеодим становить значний інтерес в якості робочого іона, так як up-конверсійна схема для волокон, легованих їм, дозволяє отримувати генерацію червоного, оранжевого, зеленого і синього кольорів. Часто застосовується додаткове легування ітербієм, завдяки дуже широкій смузі поглинання, лежить в діапазоні роботи потужних GaAs діодів. Іони Yt 3+ служать в якості сенсибілізаторів (часток, що передають енергію між різними рівнями іонів, службовців для генерації). [18]

3.3. ВКР-лазери

Волоконні лазери можуть бути створені на основі активного оптичного волокна - кварцового волокна, легованого рідкоземельними елементами (ітербієм, ербієм, неодимом, туліем, Гольма і іншими), або пасивного волокна з використанням ефекту вимушеного раманівського розсіювання. В останньому випадку оптичний резонатор утворює світловод в поєднанні з бреггівськими гратами показника заломлення, «записаними» в волокні. Такі лазери називаються волоконними раманівське лазерами.

Волокно лазера може бути дуже довгим для отримання високих вихідних потужностей. В сучасних волоконних лазерах на кіловатні потужності застосовується з'єднання безлічі окремих світловодів в один шляхом зварювання світловодів «ялинкою». Велика розподілена площа поверхні світловода дозволяє ефективно охолоджувати активний елемент такого лазера.

Випромінювання лазера поширюється усередині оптичного волокна і тому резонатор волоконного лазера не вимагає юстирування. Саме ця обставина зумовила бурхливий розвиток лазерів цього типу, проте відносна простота резонаторів цих лазерів часто не дозволяє реалізувати такі параметри випромінювання або режими їх зміни, які досягаються в лазерах на дискретних (об'ємних) оптичних елементах.

У волоконному лазері можна отримувати як одночастотну генерацію, так і генерацію ультракоротких (фемтосекундних, пікосекундних) світлових імпульсів.

3.4. Волоконні лазери на фотонних кристалах

Підвищення вихідної потужності випромінювання і управління числовою апертурою може досягатися використанням оптоволокна на фотонних кристалах. [19] [20] [21]

4. Застосування

Верстат для різання металу Cincinnati CL-920 (2 кВт, иттербиевой волоконний лазер)

4.1. Переваги і недоліки

До переваг волоконних лазерів традиційно відносять значне відношення площі резонатора до його об'єму, що забезпечує якісне охолодження, термостійкість кремнію і невеликі розміри приладів в подібних класах вимог по потужності і якості. Лазерний промінь, як правило, необхідно завести в оптичне волокно для подальшого використання в техніці. Для лазерів іншої конструкції це вимагає спеціальних оптичних систем колімації і робить пристрої чутливими до вібрацій. У волоконних лазерах генерація випромінювання відбувається безпосередньо в волокні і воно має високу оптичну якість. Недоліками даного типу лазерів є небезпека виникнення нелінійних ефектів через високої щільності випромінювання в волокні і порівняно невелика вихідна енергія в імпульсі, обумовлена малим обсягом активної речовини. [22] [23]

4.2. Сфера застосування

У порівнянні з лазерами інших конструкцій волоконні лазери володіють такими важливими достоїнствами для практичного застосування, як: просте збільшення потужності, ефективне охолодження, велика надійність, низькі витрати на обслуговування.

З мінусів можна назвати відносно великі розміри і трудомісткість виготовлення.

Основне застосування волоконних лазерів - різання «важких» матеріалів (металів, пластмас, дерева).

З інших застосувань можна назвати:

Різка напівпровідникових пластин на окремі кристали.
У медицині, як лазерних скальпелів-коагуляторов (для розтину і видалення м'яких тканин, зупинки кровотеч в загальній, косметичної, гінекологічної, ЛОР, ендо-, лапароскопічної та інших областях хірургії).
Для опто-волоконної передачі даних.

Даний спосіб передачі даних є основним для високошвидкісної передачі даних на великі відстані. Оптоволоконні кабелі використовуються як для проведення інтернету і кабельного телебачення між будинків у міських поселеннях (по повітрю або під землею), так і для міжконтинентального з'єднання (броньований кабель для підводного укладання з підсилювачами) [25].