Лабораторная работа №4
«Гравировка материалов излучением волоконного лазера»
Выполнили ст. гр 025
Хрящев В.А.
Бычков И.О. Белов А.В
Проверил Ястребков А.Б
Рязань 2014
Волоконные лазеры
Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений современной лазерной физики и волоконной оптики. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными лазерами, к числу которых относятся следующие:
• • эффективный теплоотвод;
• • высокое качество выходного излучения;
• • высокие стабильность и надежность лазера;
• • высокая эффективность накачки;
• • компактность и малый вес.
Эти преимущества позволяют волоконным лазерам не только находить свою нишу в ряде применений, но и в некоторых случаях заменять традиционные лазеры. Наибольший интерес с практической точки зрения представляют мощные непрерывные волоконные лазеры на основе активных волоконных световодов, легированных ионами редкоземельных металлов, и волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР).
Конструкции непрерывных волоконных лазеров
Впервые волоконный лазер был реализован Снитцером в 1961 году [11]. Активный эле- мент лазера представлял собой легированную ионами Nd стеклянную нить, покрытую оболочкой из стекла с пониженным показателем преломления. Однако из-за сложности конструкции, нестабильности выходной характеристики и низкой эффективности интерес к волоконным лазерам в первый период был незначительным. Спектральные диапазоны работы волоконных лазеров представлены ниже:
.
Развитие технологии получения волоконных световодов и полупроводниковых источников накачки позволило вернуться к идее волоконного лазера на качественно новом уровне. Началом этого процесса послужило создание волоконно-оптических усилителей и связанное с этим быстрое развитие мощных полупроводниковых источников накачки. Следующий шаг – создание техники записи внутри- волоконных брэгговских отражающих решеток (брэгговских волоконных зеркал) обеспечил создание полностью волоконных резонаторов. В результате использования указанных технических разработок схема волоконного лазера приобрела современный вид (рис. 1).
Основными элементами волоконного лазера являются:
• полупроводниковый источник накачки с волоконным выходом (блок накачки),
• активный одномодовый волоконный световод с диаметром сердцевины d = 10–30 мкм,
• внутриволоконные решетки показателя преломления (зеркала лазера).
Благодаря полностью волоконной конструкции таких лазеров они обладают низкими оптическими потерями. Типичная длина активного волоконного световода составляет от 5 до 50 м. Входная брэгговская решетка обычно имеет коэффициент отражения на длине волны генерации, близкий к 100%, а коэффициент отражения выходной решетки существенно ниже (обычно порядка 5%) и определяется величиной усиления и оптических потерь излучения в активном световоде. Брэгговские решетки (решетки показателя преломления) могут быть записаны как непосредственно в активном световоде, так и в отрезке фоточувствительного световода, который сваривается с активным. Изготовление решеток показателя преломления основано на явлении фоточувствительности. Это явление заключается в изменении показателя преломления сердцевины световода под действием УФ-излучения определенных длин волн. Как правило, волоконные брэгговские решетки показателя преломления представляют собой отрезок волоконного световода с модуляцией показателя преломления в световедущей области на уровне 10-5-10-3 с периодом порядка половины длины волны распространяющегося излучения. Так же как и в случае твердотельных лазерных источников, наибольшее распространение в качестве активных легирующих добавок волоконных световодов нашли ионы лантаноидов, или редких земель. Для создания эффективных волоконных лазеров средней и высокой мощности особый интерес представляет активное волокно, легированное ионами Yb (рис. 2). В схеме уровней Yb3+ кроме основного уровня 2F7/2 существует единственный возбужденный уровень 2F5/2. Отсутствие других энергетических уровней вплоть до ультрафиолетового диапазона означает, что в дан- ной системе в области длин волн, близких к длине волны генерации, не будет иметь место поглощение из возбужденного состояния и различные кооперативные явления. Это приводит к высоким значениям кпд лазеров и позволяет существенно увеличить концентрацию активной примеси по сравнению с такими распространенными легирующими добавками, как неодим и эрбий. Использование световодов с высокой концентрацией активной примеси, в свою очередь, позволяет уменьшить длину активной среды лазера, а значит, и уменьшить отрицательное влияние различных нелинейных эффектов и дополнительных оптических потерь на эффективность лазера.
