ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-6

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 6: Волоконные лазеры Жидкости

Волоконные лазеры (1)

Основы волоконных лазеров

Волоконные лазеры относятся к твердотельным лазерам, активной средой которых является оптическое волокно, легированного редкоземельными ионами. Они представляют из себя определенную альтернативу обычным ТТЛ с активной средой из стержней и плит и имеют широкий спектр применений, как в гражданской, так и в военной промышленности, когда требуется сочетание высокой выходной мощности с высоким качеством луча в компактном и прочном корпусе. Конструкция волоконного лазера обеспечивает отличные технические характеристики для различных технологических и эксплуатационных режимов, сохраняя низкую чувствительность к разъюстировкам, высокое качество луча, компактность и длительную стабильность всех рабочих характеристик. В дополнение к ним, волоконные лазеры демонстрируют выдающиеся термооптические свойства благодаря большому отношению площади поверхности к объему.

В качестве источника накачки используются полупроводниковые лазеры или также волоконные лазеры, а резонатор содержит активную среду, ограниченную диэлектрическими зеркалами или брэгговскими решетками.

Рисунок показывает упрощенная расположение различных компонентов основного волоконного лазера. Как накачка, так и лазерное излучение направляется через волноводные структуры, состоящие из ядра и общей оболочки волокна. Диэлектрические зеркала и единое волокно в оболочке составляют резонансную полость.

Волоконные лазеры (3)

В реальных волоконных лазерах, в большинстве практических случаев, вместо зеркал используются волоконные брэгговские решеток. Волоконные брэгговские решетки являются одним из видов распределенных отражателей Брэгга, встроенных на коротком отрезке волокна, как показано на рисунке. Образованная таким способом решетка периодического изменения показателя преломления сердцевины, предназначена, чтобы отражать определенную длину волны и передавать все другие длины волн, как показано на рисунке.

Волоконные лазеры (4)

Чтобы свет источника накачки проходил по всей длине волокна, легированного редкоземельным ионом, излучение накачки должно быть пространственно когерентным. Поскольку выходная мощность одномодовых диодных лазеров обычно ограничивается несколькими ваттами, такая конфигурация не может быть использована для создания лазеров с относительно высокой выходной мощностью. Это ограничение преодолевается с помощью конструкцию волокна с двойной оболочкой. В этом случае легированная активная сердцевина окружена второй структурой волновода в виде оболочки, используемой для распространения излучения накачки, как это изображено на Рис.

Такая двухоболочная конструкция волоконного лазера позволяет использовать в качестве источников накачки многомодовые полупроводниковые диодные лазеры. Излучение накачки в этом случае запускается в внутреннюю оболочку и постепенно поглощается по всей длине волокна, превращаясь в легированной сердцевине в излучение одномодового лазера высокой яркости.

Волоконные лазеры (5)

В отличие от твердотельных лазеров, где интенсивность излучения накачки в объеме ограничивается Рэлеевской длиной из-за дифракции, в случае лазера волокна с двойной оболочкой высокая интенсивность накачки, а следовательно и лазерного излучения поддерживается на всей длине волокна. Следовательно, коэффициент усиления активной среды (увеличение интенсивности света в усиливающей среде на длине взаимодействия) значительно выше, чем что в случае твердотельного лазера. Эта особенность обеспечивает волоконным лазерам большой коэффициент усиления за один проход и низкий порог величины накачки.

Один из недостатков концепции двухоболочного волоконного лазера является снижение поглощения излучения накачки активной легированный ионами сердцевиной из-за неравномерного распределения интенсивности накачки во внутренней оболочке, а следовательно и в активной среде. В результате этого, эффективность передачи энергии (свет-свет) снижается. Эта проблема решается, нарушением цилиндрической симметрии внутренней оболочки, как правило, за счет D- образные или прямоугольные областей распространения излучения накачки (Рис.). Периодические изгибы при использовании в симметричных волокон также повышает эффективность использования излучения накачки.

Рис. Два различных типа оптических волокон для волоконных лазеров (не в масштабе). Слева: обычная схема с одним волноводом накачки Справа: схема технологии GTWave с двумя волноводами накачки (для примера). 1. Сердцевина, легированная

редкоземельными ионами. 2. Волновод накачки. 3. Общая оболочка. 4. Защитная оболочка.

Еще большие мощности накачки достигаются с помощью технологии GTWave. В одну защитную оболочку встраивается несколько сердцевин волноводов, одна из которых является активной средой, а другие — волноводами накачки. Накачка осуществляется благодаря эванесцентному полю, проникающему в активную среду через их стенки. Особенностью технологии являются возможность ввода излучения накачки через оба торца каждого из волноводов накачки.

Вобщем случае рабочие режимы волоконного лазера включают непрерывный (CW) и импульснопериодический (квазинепрерывный) режимы, модуляцию добротности резонатора и синхронизацию мод. Непрерывный и квазинепрерывный режимы работы волоконных лазеров, с уровнем выходной мощности, простирающихся от милливатт до киловатт, является наиболее востребованным для широкого спектра промышленных и военных применений. Режим модуляции добротности может быть использован для создания импульсов энергии в диапазоне от нескольких миллиджоулей до нескольких десятков миллиджоулей с шириной импульса от нескольких десятков наносекунд до сотен наносекунд.

Вволоконных лазерах с низким коэффициентом усиления можно также реализовать одночастотный режим работы для создания непрерывного излучения с мощностью от нескольких милливатт до нескольких десятков милливатт, имеется информация даже о достижении мощность приближающейся к одному ватту. Такой режим возможен как в схеме с распределенными брэгговскими отражателями РБО (DBR), так распределенной обратной связи (РОС - DFB).

Впервом случае,

как показано на Рис. две брэгговские решетки Устанавливаются с двух сторон от

короткой активной среды (порядка нескольких сантиметров). Короткая длина резонатора обеспечивает большее расстояние между соседними продольными модами, заставляя лазер работать только на одной из них. Так же влияет и малая ширина спектральной линии брэгговских решеток из-за чего только на одной продольной моде усиление оказывается выше порога генерации. Такая схема обеспечивают одночастотный режим при ширине спектральной линии в доли нанометра.

Возможна и другая схема волоконного РОС(DFB) лазера. В резонаторе большей длины брэгговская решетка нанесена прямо в середине волокна. Благодаря точному контролю фазы в длинной решетке, такой режим работы с распределенной по всей длине резонатора обратной связью (РОС – DFB) обеспечивает очень низкую спектральную ширину линии и одночастотной работы.

Волоконные лазеры (7)

Фотонно-кристаллическое оптическое волокно (ФКОВ)

Так называемое микроструктурированное или фотонно-кристаллическое оптическое волокно (ФКОВ,

англ. photonic crystal fiber (PCF), holey fiber, или microstructured fiber) значительно отличается от традиционно применяемых оптических волокон. Если в последних световод образуется слоями с различным показателем преломления, то во ФКОВ светопередающая структура образуется воздушными каналами (например, цилиндрической формы), окружающими сплошную (или полую) сердцевину волокна — они образуют двумерный фотонный кристалл (Рис.). Поэтому волноводные моды в них формируются не путѐм внутреннего отражения луча при распространении вдоль волокна, а вследствие появления запрещѐнных зон в спектре пропускания микроструктуры.

ФКОВ производится по технологической схеме "складывай и вытягивай" (stack and draw), существенно отличающейся от процессов производства обычного оптического волокна.

По этой схеме заготовка сердечника обкладывается несколькими слоями пустотелых стеклянных трубок-заготовок с круглым или шестигранным

сечением. Затем полученная заготовка нагревается и подвергается двухили трехэтапному вытягиванию (как и обычное ОВ) до приемлемых размеров оболочки (диаметром 125–400 мкм или выше). Длина полученного волокна сегодня достигает 10–500 м.

ФКОВ выпускают большие компании, такие как Corning (USA) (волокно PureMode: HI 780, PC 1300, PC 1550, Er 1550C, DCM) и небольшие фирмы, например Blaze Photonics (UK) и TEGS (РФ), производящая ФКОВ пяти типов с диаметром отверстий в оболочке 0,2; 2 и 8 мкм, шагом решетки 0,4; 3 и 10 мкм, внешним диаметром оболочки 125/400 мкм и длиной образцов 100 м. Компания выпускает также ФКОВ с несколькими сердцевинами (до 6) и различными композициями: оптическое стекло-воздух, стекло-стекло, стекло-металл.

Волоконные лазеры (8)

Волоконные лазеры на фотонных кристаллах

Втипичном ФКОВ микроструктура образуется гексагонально упакованными воздушными каналами (англ. triangular cladding single-core PCF). Главной особенностью такого волокна является поддержка только основной моды независимо от длины волны или диаметра сердцевины. Поэтому микроструктуры позволяют создавать оптическое волокно с любой заданной числовой апертурой (ЧА) – (numerical aperture NA) (синус максимального входного угла падения луча света в оптоволокно), от очень маленьких ЧА для активной сердцевины до очень больших ЧА для волноводов накачки при сравнительно очень большом диаметре сердцевины.

Применение ФКОВ открывает новые возможности для создания высокомощных одномодовых лазеров, так как обычная технология изготовления волокна требует увеличения диаметра сердцевины для повышения мощности, а это приводит к многомодовому режиму распространения света. Для одномодового волокна ЧА, как правило, порядка 0.1, но с помощью микроструктуирования эту величину можно уменьшить, а значит можно увеличить диаметр активной сердцевины, сохраняя одномодовый режим излучения. Для накачки редкоземельных ионов в срезе ФКОВ создаѐтся структура, напоминающая оптическое

волокно с двойным покрытием (Рис.). Вокруг внутреннего фотонного кристалла, окружающего активную сердцевину, на некотором расстоянии формируется ещѐ один слой воздушных каналов (типично вытянутых в срезе волокна в радиальном направлении). Такая ФКОВ имеют очень высокую числовую апертуру. Если, например обычные многомодовые волокна имеют числовую апертуру порядка 0.3, то для ФКОВ значения ЧА находятся в диапазоне 0,6-0,7. Это позволяет использовать для накачки диоды с большой расходимостью излучения. Кроме большой числовой апертуры, преимуществом такой структуры являются низкие потери излучения накачки благодаря отсутствию спиральных и винтовых мод, которые не проходят через активную сердцевину.

В2003 году был продемонстрирован волоконный лазер в режиме постоянной генерации, использующий ФКОВ длиной 2,3 м, КПД которого было 78 % при максимальной мощности генерации 80 Вт. В 2006 году был создан лазер с тем же КПД, максимальной мощностью генерации 320 Вт (550 Вт/м активного волокна) и площадью мод 2000 мкм2. Как и в случае обычного волокна, лазеры, использующие ФКОВ, характеризуются линейной зависимостью выходной мощности излучения от мощности накачки.

Волоконные лазеры (9)

Применения волоконных лазеров

Мощные волоконные лазеры со средними уровнями мощности в диапазоне от десятков ватт до мультикиловаттного уровня нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, науки, медицине, военной техники. До 1990-х годов крупнейшим потребителем волоконных лазеров была телекоммуникационная отрасль и именно тогда были разработаны многие ключевые технологии применяющиеся для разработки сегодняшних мощных волоконных лазеров. Современные волоконные лазеры предназначены для широкого спектра промышленных применений, который включает резку, сварку, пайку, склеивание, спекание, отжиг и поверх-ностную обработку. Высокая энергетическая эффективность, возможность повышения мощности при сохранении высокого оптического качества луча волоконных лазеров для непрерывных режимов работы, являются важнейшими факторами их возрастающей популярности и электроразрядными газовыми лазерами и ТТЛ, используемых ранее в большинстве промышленных и военных применений.

В то время как наивысший достигнутый уровень мощности в непрерывном режиме для промышленных лазеров на СО2 и

Nd: YAG ТТЛ после 2000 года практически не растет, волоконные лазеры продолжают развиваться, достигнув к настоящему времен мощности уровня 10 кВт в одномодовом режиме и 100 квт для много модового волоконных лазера компании IPG Photonics. Рисунок показывает рост мощности Nd: YAG, CO2 и волоконных лазеров за последние шесть десятилетий.