книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdf
Лекция 8. ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ
Первый волоконный лазер был создан Коестером и Снитцером в 1963 году.
В этом лазере активным элементом служило стеклянное волокно, легированное ионами неодима.
Накачка осуществлялась через боковую поверхность волокна с помощью лампы вспышки.
Накачка через торец стеклянного волокна впервые была осуществлена в 1973 году Стоуном и Баррусом.
В 1985 году Пэйн и его группа изобрели эрбиевый усилитель, что значительно активизировало исследования в области волоконных лазеров и усилителей.
Стремительное развитие исследований в области волоконных лазеров началось с конца 1980-х годов.
Основные направления исследований были связаны с использованием различных активаторов оптических волокон для достижения заданных параметров генерируемого излучения.
В настоящее время лазеры и усилители на основе волокон, легированных ионами редких земель (Yb, Er, Tm, Но и др.), используются в самых разных областях промышленности, медицины, телекоммуникации.
В промышленном производстве современные волоконные лазеры составляют успешную конкуренцию мощным газовым лазерам.
Для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке.
Особое внимание в настоящее время уделяется иттербиевым и эрбиевым лазерам, показавшим значительный потенциал для увеличения мощности.
91
Эффективность преобразования излучения накачки иттербиевым волоконным лазером
В сравнении с мощными газовыми и твердотельными лазерами мощные волоконные лазеры обладают рядом преимуществ, вытекающих из их компактности и свойств самих волоконных световодов.
К таким преимуществам относятся прежде всего: 
Высокое качество и стабильность парамет- |
Высокая эффективность генера- |
ров выходного излучения. |
ции ("от розетки" до 30 %). |
Удобная длина волны излучения в диапазоне |
Долговечность и прочность кон- |
прозрачности волоконных световодов. |
струкции волоконных лазеров. |
Пренебрежимо малое влияние тепловых эффектов из-за большого отношения поверхности к объему активной области.
В 1993–1994 годах в российской компании НТО «ИРЭ-Полюс» под руководством В.П. Гапонцева были разработаны первые прототипы волоконных усилителей света с диодной накачкой, по мощности превышающие зарубежные аналоги.
Впоследствии по инициативе В.П. Гапонцева была создана международная корпорация IPG Photonics, которая в настоящее время контролирует 80 % мирового рынка волоконных лазеров большой мощности.
92
8.1. Основные схемы волоконных лазеров
Конструктивно волоконные лазеры бывают двух типов – цельноволоконные и гибридные.
В цельноволоконном лазере в качестве отражающих элементов резонатора используются брэгговские решетки.
В гибридном волоконном лазере резонатор образован внешними диэлектрическими зеркалами (иногда нанесенными на торцы волокна).
Схема волоконного лазера с внешними оптическими элементами
Гибридная схема с резонатором Фабри–Перо использовалась в первых волоконных лазерах на активном волокне, легированном ионами Nd3+.
Диэлектрические зеркала создавались практически прозрачными на длине волны накачки 0,82 мкм, сохраняя при этом высокий коэффициент отражения на длине волны генерации 1,088 мкм
Главными недостатками этой схемы являются внешние элементы – зеркала и линзы, требующие тщательной юстировки.
93
Схемы волоконного лазера с зеркалами резонатора в виде брэгговских решеток
В цельноволоконном лазере резонатор создается внутри оптического волокна при помощи пары брэгговских решеток (участков оптического волновода с модулированным показателем преломления).
Благодаря высокой селективности брэгговских решеток по частоте возможно создать волоконный лазер, работающий на одной продольной моде с узкой частотной полосой генерации.
Для внутриволоконных брэгговских решеток основной опасностью являются высокие температуры.
При высоких температурах происходит разрушение решеток (в зависимости от метода создания решеток и материала волокна критические температуры лежат в диапазоне 300–600 C).
94
8.2. Волоконный иттербиевый лазер
Наибольшее применение в настоящее время имеют волоконные лазеры с активным оптическим волокном, допированным иттербием.
Иттербиевые стекла имеют большую ширину полосы генерации и достаточно большое время жизни верхнего лазерного уровня.
Генерация лазерного излучения происходит в результате оптических переходов между штарков-
скими подуровнями двух групп атомных состояний
2F5/2 и 2F7/2.
Небольшое различие энергии квантов накачки и квантов генерации приводит к малым тепловым потерям и обеспечивает весьма высокий теоретический КПД.
Относительно простая схема энергетических уровней иона Yb3+ исключает возможность поглощения из возбужденного состояния и уменьшает число механизмов тушения.
Спектр поглощения легированного иттербием стекла характеризуется наличием широкой полосы поглощения с центром около λ = 915 нм и узкой полосы поглощения с центром около
λ = 975 нм.
Спектр люминесценции состоит из узкой линии с центром около λ = 980 нм и широкой полосы с максимумом около λ = 1035 нм, простирающейся в интервале от 990 до 1200 нм.
Накачка в область узкой полосы поглощения с центром около λ = 975 нм является более эффективной из-за достаточно большого сечения поглощения.
95
При накачке в полосу с центром около λ = 915 нм может быть получена генерация в области
975 нм.
При этом требования к длине волны излучения источника накачки и ее стабильности при изменении температуры не столь высоки из-за большой ширины этой полосы.
Кроме того, лазерное излучение в области 975 нм особенно интересно тем, что оно хорошо подходит для накачки мощных эрбиевых усилителей.
Отсутствие других полос поглощения вплоть до УФ-диапазона означает, что в данной системе должно отсутствовать поглощение из возбужденного состояния и кооперативная ап-конверсия.
В отличие от стекол с ниобием и эрбием это позволяет увеличить концентрацию активной примеси.
Использование оптических волокон с высокой концентрацией активной примеси позволяет уменьшить длину активной среды лазера, что уменьшает дополнительные оптические потери.
Кроме того, отсутствие эффектов самогашения позволяет получать излучение с квантовым выходом до 90 %.
Достаточно широкая полоса усиления предоставляет возможность перестраивать длину волны генерации.
Сравнительно большое время жизни возбужденного состояния (1–2 мс) обеспечивает надежную работу в режиме с модулированной добротностью.
Вследствие малой разницы между длинами волн накачки и генерации в иттербиевых стеклах реализуется "квазитрехуровневый" режим генерации.
Этот режим требует большей мощности накачки, что не позволяет реализовать высокое значение КПД лазера.
В лазере на активированном иттербием волокне с двойной оболочкой и усилителем были достигнуты очень высокая эффективность (КПД), качество пучка, ограниченное только дифракцией, и выходная мощность более 1 кВт.
Легированные иттербием волокна хорошо работают в режиме с синхронизацией мод и могут быть использованы для получения фемтосекундных импульсов.
96
8.3. Волоконный эрбиевый лазер
Волоконные лазеры, построенные с использованием эрбиевого волокна, генерируют излучение в трех основных полосах люминесценции, расположенных в видимой и инфракрасной областях спектра.
Это определяет широкий интерес к эрбиевым волоконным лазерам в самых различных областях применения (термообработка, сварка и резка, телекоммуникация, медицина, косметология и др.).
Схема энергетических уровней ионов Er3+ имеет довольно сложную структуру. 
Расположение энергетических зазоров в схеме таково, что существует возможность реализации сложных схем трансформации возбуждений.
Для накачки эрбиевых лазеров чаще всего применяются GaAs-полупро- водниковые лазеры, которые наиболее эффективны при накачке на длинах волн 0,95 или 1,48 мкм, где отсутствует поглощение с возбужденных уровней.
Квантовый выход люминесценции с многих уровней, а следовательно, число метастабильных уровней эрбия зависит от активируемой матрицы.
Это позволяет получить на ионах эрбия довольно большое число вариантов генерации.
Наиболее популярными в эрбиевых лазерах являются две полосы генерации на
переходах 4I11/2 → 4I13/2 (λ = 2,75 мкм) и 4I11/2 → 4I15/2 (λ = 1,53…1,59 мкм).
Излучение с длиной волны 2,75 мкм используется в основном в лазерах для медицинского использования, в частности, в косметологии.
97
|
|
|
|
|
|
|
|
По сравнению с излучением в других |
|
|
|
Такое свойство позволяет контро- |
|
|
оптических диапазонах излучение эрбие- |
|
|
|
лировать влияние излучения при |
|
|
вого лазера действует максимально мягко, |
|
|
|
воздействии на мягкие ткани и |
|
|
проникая на глубину до 5 мкм, поглощаясь |
|
|
|
уменьшить риски возможных |
|
|
тканями полностью. |
|
|
|
осложнений. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вторая полоса люминесценции ионов эрбия Er3+ в кварцевом стекле располагается в интервале 1,48–1,64 мкм с центром около 1,53 мкм, что позволяет создавать волоконные лазеры и усилители для спектрального диапазона 1,53–1,6 мкм (в области минимальных потерь кварцевого телекоммуникационного волокна).
В качестве матриц для активации эрбием широко применяются как монокристаллы, так и силикатные стекла различного состава.
Длина волны генерации зависит от химического состава стекла.
Безызлучательный переход с уровня 4I11/2 на уровень 4I13/2 происходит с высокой скоростью, и так как время жизни метастабильного уровня 4I13/2 существенно превышает времяжизниуровня4I11/2, тоинверсияуровня4I13/2 наступаетдостаточнобыстро.
Для эрбия реализуется квазитрехуровневая схема генерации, что требует довольно большой плотности возбужденных ионов эрбия.
Для накачки волоконных эрбиевых лазеров телекоммуникационного назначения используют в основном полосу поглощения 0,9–1 мкм, соответствующую переходу 4I15/2 → 4I11/2.
Эффективность прямой накачки светом в полосу поглощения 0,9–1 мкм не очень велика из-за того, что эта полоса имеет небольшую силу осциллятора.
Поэтому эрбиевые лазеры требуют достаточно интенсивной накачки.
98
Увеличению концентрации эрбия препятствует усиление эффекта самогашения. 
Для эрбиевых волокон также возможна накачка излучением 1,48–1,50 мкм в довольно широкую полосу штарков-
ских компонентов перехода
4I15/2 → 4I13/2.
Увеличить эффективность накачки возможно путем введения
дополнительного активатора – ионов Yb3+.
Ионы Yb+3 эффективно поглощают свет 980 нм и затем передают возбуждение ионам эрбия на уровень 4I11/2.
Кроме того, сенсибилизация эрбиевых волокон иттербием позволяет реализовать ап-конверсионную схему накачки, позволяющую осуществить генерацию в видимом диапазоне спектра.
Важным преимуществом волоконных эрбиевых лазеров является возможность перестройки длины волны в широком диапазоне.
99
8.4. Волоконный тулиевый лазер
Активированная ионами тулия Tm3+ среда применяется для изготовления лазеров, излучающих в двухмикронном диапазоне.
Излучение двухмикронного диапазона интенсивно поглощается тканями организма, что позволяет активно использовать это излучение в медицине.
В спектре поглощения среды, активированной ионами тулия, существуют три полосы поглощения разной мощности.
Для накачки тулиевой активной среды с использованием областей поглощения 0,78–0,80 мкм и 0,9–1,0 мкм можно использовать мощные диодные матрицы.
Дополнительное легирование активной среды ионами иттербия Yb+3 повышает эффективность накачки в полосу 0,9–1,0 мкм.
Кроме того, излучение с длиной волны ~ 2 мкм безопасно для глаз и попадает в окно прозрачности в атмосфере, а значит, может быть применено для локации.
Для накачки тулиевой активной среды в область 1,21 мкм могут быть использованы достаточно мощные ВКР-лазеры.
100