Исследование иттербиевых волоконных лазеров с распределенной обратной связью

• Автор: Никулин, Максим Александрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Оглавление

Список обозначений и сокращений

Введение в

1. Волоконные лазеры с распределенной обратной связью

1.1. Резонатор РОС-лазера

1.2. Особенности волоконных РОС-лазеров

1.3. Модели РОС-лазеров

1.4. Перестройка, шумы и стабилизация частоты генерации

1.5. Приложения волоконных РОС-лазеров

1.6. Другие типы одночастотных волоконных лазеров

1.7. Выводы
2. Источник одночастотного излучения с длиной волны 1093 нм
на основе волоконного РОС-лазера
2.1. Иттербиевый волоконный РОС-лазер
2.2. Тепловые эффекты в волоконном иттербиевом РОС-лазере
2.3. Иттербиевый волоконно-оптический усилитель
2.4. Управление частотой генерации
2.5. Результаты
3. Мощность генерации иттербиевого волоконного РОС-лазера: эксперимент и аналитическая модель
3.1. Активное оптическое волокно
3.2. Параметры резонатора РОС-лазера
3.3. Аналитическая модель волоконного РОС-лазера
3.4. Особенности аналитической модели
3.5. Потери в резонаторе и оболочечные моды
3.6. Результаты
Заключение
Список литературы

Список обозначений и сокращений
А 1) площадь области, легированной ионами редкоземельных элементов, в поперечном сечении оптического волокна;
2) в уравнениях связанных мод: волна, направленная по оси z
В 1) мощность, a Bv = dB/dv — спектральная плотность мощности волны, рассеянной в процессе вынужденного рассеяния Мандельштама—Вриллюэна;
2) в уравнениях связанных мод: волна, направленная против оси z.
с скорость света в вакууме
F доля мощности волны накачки, поглощенной активными ионами в резонаторе РО С-лазера
91 — Г5 ddi(^(7 ра О'даО'ре )/(огра + Срв) коэффициент усиления излучения генерации в пределе большой мощности накачки
др = TpNt(aseapa — usaapB) / (crse + crsa) коэффициент поглощения-накачки, связанный с обменом энергией с волной на длине волны лазерного излучения. Затухание волны накачки в пределе большой мощности излучения лазерной генерации
h постоянная Планка
I мощность излучения на длине волны- лазерной: генерации
1ъ и. Iw мощность генерации РОС-лазера в двух направлениях. Концы ВБР, образующей резонатор, условно обозначены как «черный» и «белый» (black & white)
I, = Л/гс/[А(Г(т((т6ц + (Tsa)j мощность насыщения по отношению к излучению на длине волны лазерной генерации
1+ мощность излучения тестового сигнала или лазерной генерации для волны распространяющейся в направлении, оси г
1_ мощность излучения тестового сигнала или. лазерной генерации для волны распространяющейся против направления оси z
L длина волоконной брэгговской решетки или образца оптического волокна
Ье эффективная длина волоконного резонатора, образованного брэгговскими решетками
щ средний эффективный показатель преломления для основной моды, распространяющейся в волоконной брэгговской решетке
П показатель преломления сердцевины оптического волокна

пг показатель преломления оболочки оптического волокна
концентрация ионов редкоземельных металлов в сердцевине оптического волокна КА числовая апертура
Р мощность излучения на длине волны накачки
Р, = Акс/[рГрт(аре + <7ра)] мощность насыщения по отношению к излучению на длине волны накачки
Я коэффициент отражения
Т коэффициент пропускания
X параметр насыщения в резонаторе волоконного РОС-лазера 2 координата вдоль оси оптического волокна а; коэффициент поглощения малого сигнала
а коэффициент ненасьпцающегося поглощения на длине волны лазерной генерации
ар коэффициент поглощения накачки, когда все активные ионы находятся в основном состоянии
а* коэффициент ненасьпцающегося поглощения на длине волны излучения накачки
/3 волновое число (константа распространения) основной поперечной моды оптического волокна
Г|1Р интеграл перекрытия области, легированной активными ионами, и направляемой модой в поперечном сечении волокна на длине волны лазерной генерации и накачки соответственно.
7 волновое число (комплексное) для волны в волоконной брэгговской решетке
б отстройка волнового вектора от резонанса волоконной брэгговской решетки
бп эффективная амплитуда модуляции показателя преломления в волоконной брэгговской решетке
5и полная ширина резонанса на полувысоте в единицах частоты т] КПД лазера
ус сила волоконной брэгговской решетки
А период модуляции показателя преломления волоконной брэгговской решетки

1.5 1.0 0.5 0.
1-1 I 1 1 "Г" Г 1 '1 1 + S -0.090 ........ г , -р- 1 , , ■ ■ -+++--
гп § -0.095 |

< - + , с^г Я -0.100 +

+ , + . + < + i § g -0.105 щ -0.110 + + -f
. , И- + 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ! 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Мощность накачки Р , мВт
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Мощность накачки Р , мВт
Рис. 5. Мощность генерации РОС-лазера (слева) и смещение длины волны (справа) в зависимости от мощности волны накачки. Длина волны накачки р = 975,5 нм Шаг значений длины волны 0.002 нм определяется дискретностью определения пика анализатором оптических спектров
и вибрации [149].
Данный РОС-лазер имел достаточно низкий порог генерации около 10 мВт. Эффективность лазера составляла около 5 % (рис. 5). Вообще, для иттербиевых волоконных РОС-лазеров был продемонстрирован КПД более 40 % [9], однако эти результаты относятся к более коротким длинам волн генерации. Сечение вынужденного излучения ионов Yb3+ на длине волны 1093 нм в несколько раз меньше, чем в максимуме люминесценции в области 1025 нм [87, 88]. Для получения генерации в области около 1100 нм необходимо формировать плотный резонатор, в этом случае определяющую роль начинает играть поглощение излучения генерации (которое не связано с возбуждением ионов иттербия). В ограниченных пределах возможно увеличивать концентрацию ионов иттербия, однако это обычно сопровождается увеличением ненасыщающихся потерь излучения накачки и тоже ограничивает эффективность лазера. Факторы, влияющие на эффективность волоконного РОС-лазера, рассмотрены в следующей главе.
Как видно из правой части рис. 5, длина волны генерации лазера изменялась с ростом мощности накачки. В данном случае по вертикали отложено отличие длины волны от 1093 нм. Измерение проводилось с помощью анализатора оптических спектров (АОС) марки ANDO (Yokogawa) 6370, который позволяет определять положение пика с шагом 0,002 нм, этим объясняются ступеньки и дискретные значения длины волны. Линейная зависимость длины волны генерации от мощности накачки в дальнейшем позволила использовать данный эффект для управления частотой и ее стабилизации. Причиной влияния мощности накачки является нагрев сердцевины волокна и соответствующее изменение периода ВБР и величины фазового сдвига. Подробнее об этом — в разделах 2.2 и 2.4.