XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Первыми передачу лазерного излучения с помощью оптического волокна продемонстрировали Элиес Снитцер  и  Уилл Хикс  в  1961 году. Основным недостатком их устройства было сильное затухание излучения при прохождении волокна. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокхам создали оптическое волокно, затухание в котором составляло около 20 дБ/км, в то время как иные существовавшие на то время волокна характеризовались затуханием более 1000 дБ/км. Информационная ёмкость волокна Као соответствовала двумстам телеканалам. Внутренний диаметр составлял около 4 микрон, а диаметр всего волновода около 400 микрон. Прогресс в производстве оптических волокон привлёк широкое внимание к ним как средству передачи сигналов на большие расстояния.[6]

С конца 1980-х годов началось стремительное развитие волоконных лазеров.

Исследования в основном были направлены на эксперименты с использованием различных примесей в оптических волокнах для достижения заданных параметров генерируемого излучения. Особый интерес представляла генерация сверхкоротких импульсов в инфракрасной области спектра. C 1993 года в сенсорике и сфере связи стали широко использоваться промышленные образцы эрбиевых лазеров. В 1990-е годы мощность генерации эрбиевых лазеров превысила порог в 1 Вт, был продемонстрирован эрбиевый четырёхваттный лазер. После 2000 года привлекли к себе внимание иттербиевые лазеры, показавшие значительный потенциал для увеличения мощности.[5]

Рис.1 Динамика роста выходной мощности непрерывных волоконных лазеров

Устройство волоконного лазера

Волоконные лазеры – это твердотельные лазеры с оптической накачкой (Для накачки используются один или несколько лазерных диодов), активным элементом в которых является волоконный светодиод с добавками лазерных активаторов. В большинстве случаев усиливающей средой оптоволоконных лазеров является волокно, допированное редкоземными ионами, такими как эрбий (Er3+), неодим (Nd3+), иттербий (Yb3+), тулий (Tm3+) или празеодимий (Pr3+).[7]

Рис.2 – Схема Волоконного лазера

Одними из самых перспективных для световодных систем являются лазеры на волокнах, активированных ионами неодима (Nd3+). Эти ионы имеют две основные лазерные линии с центральными длинами волн λ ≈ 1,06мкм и λ ≈1,32мкм, лежащими в спектральном диапазоне, где потери и дисперсия света в кварцевых волокнах минимальны. Спектральные характеристики усиления иона неодима практически не зависят от внешних условий.

Резонаторы волоконного лазера

Одними из самых распространённых резонаторов являются резонаторы типа Фабри — Перо. Различия между ними заключаются в способе создания зеркал резонатора.

Резонаторы с использованием диэлектрических зеркал

В первых волоконных лазерах для создания резонатора Фабри — Перо применялись диэлектрические зеркала. Благодаря возможности создавать их практически прозрачными на длине волны накачки 0,82 мкм сохраняя при этом высокий коэффициент отражения на длине волны генерации 1,088 мкм (таковы были параметры лазеров, где применялось волокно, легированное ионами Nd³⁺). Вначале волокно размещалось между зеркалами, однако такую конструкцию было сложно юстировать. Частичное решение проблемы состояло в нанесении диэлектрических зеркал непосредственно на торцы волокна, что, однако, повышало риск их повреждения мощным сфокусированным излучением накачки и ужесточало требования к обработке торцов оптоволокна. Проблема защиты зеркал иногда решалась применением WDM-ответвителей.

За счёт зеркал резонатора волоконного лазера обеспечивается многократное прохождение излучения лазера через активный световод и мощность его излучения значительно возрастает. Мощность излучения растёт до тех пор пока усиление излучения не становится равным его потерям в резонаторе.

Резонатор с использованием волоконных брэгговских решёток

Резонаторы (ВОБР) – это резонаторы с использованием волоконных брэгговских решёток в качестве зеркал.

Рис. 3 – Волоконная брэгговская решотка

Резонатор внутри оптического волокна создается парами внутриволоконных брэгговских решёток — участков оптического волновода, в которой создается структура с модулированным показателем преломления. Участки с измененным показателем преломления (штрихи) располагаются перпендикулярно оси волновода. Отражение от такой структуры происходит на длине волны λ_B = n_effΛ_B, где n_eff — эффективный показатель преломления основной моды, Λ_B — период решётки. Характер отражения (полное или частичное), будет зависеть от её параметров. Ширина спектра отражения при большом количестве штрихов становится пропорциональной коэффициенту связи κ, связанным с коэффициентом отражения соотношением R = tanh²κL, где L — длина решётки. На практике созданная внутри волокна брэгговская решётка имеет несколько иные параметры, так как само её создание меняет эффективный показатель преломления в месте нахождения решётки, и таким образом, саму её резонансную длину волны. Для внутриволоконных решёток являются опасными высокие температуры. Хотя в целом, температура разрушения решётки существенно зависит от метода её создания и материала волокна, чаще всего критические температуры лежат в диапазоне 300—600 °C. Селективность по частоте брэгговских решёток позволяет получить лазер, работающий на одной продольной моде с узкой частотной полосой генерации.

В волоконных ВКР-лазерах иногда создают более одной пары брэгговских решёток на разные длины волн для достижения большего порядка рассеяния (каждый следующий порядок рассеяния изменяет длину волны фотонов, что позволяет достичь требуемую длину волны).

Кольцевые резонаторы

Простейшей конструкцией кольцевого резонатора является соединение обоих концов WDM-ответвителя с активным волокном. Особенностью волоконных кольцевых резонаторов является пропускание света лишь в одном направлении независимо от частоты, за исключением некоторых резонансных частот.

В кольцевых резонаторах также применяются дополнительные элементы – изоляторы и поляризаторы, которые обеспечивают сохранность поляризации излучения и однонаправленность его распространения.

Рис.4 – схема кольцевого резонатора

Применение волоконных лазеров

[1]Области применения волоконных лазеров определены их функциональными возможностями. Волоконные излучатели не могут вытеснить полупроводниковые и наоборот. Эти два класса источников излучения могут дополнять друг друга в системах связи, значительно повысив возможности системы в целом.

В наше время основным применением волоконных лазеров является резка «тяжелых» материалов (металлов, пластмасс, дерева)

К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров является опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.

В сравнении с лазерами других конструкций волоконные лазеры обладают такими важными достоинствами для практического применения, как: простое увеличение мощности, эффективное охлаждение, большая надёжность, низкие расходы на обслуживание.Из минусов можно назвать относительно большие размеры и трудоемкость изготовления.

В течение 1993—1994 годов коллектив сотрудников российской компании НТО «ИРЭ-Полюс» разработал первые прототипы волоконных усилителей света с диодной накачкой, по мощности превышающие зарубежные аналоги. В 1995 году руководитель этой компании В. Гапонцев переехал на работу в ФРГ и основал фирму IPG Laser GmbH.^[24] После вывоза из бывшего СССР в 90-х годах простой технологии суммирования выходной мощности волоконных лазеров этот тип лазеров практически вытеснил дорогие газовые лазеры из станков лазерного раскроя материалов и сделал их массово доступными. Надо заметить что газовые лазеры все ещё сохранили свои доминирующие позиции в станках лазерной гравировки материалов (на мощность до сотен ватт).

Из других применений можно назвать:

Резка полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы.

В медицине, в качестве лазерных скальпелей-коагуляторов (для рассечения и удаления мягких тканей, остановки кровотечений в общей, косметической, гинекологической, ЛОР и т.д.)

Для оптоволоконной передачи данных.

Данный способ передачи данных является основным для высокоскоростной передачи данных на большие расстояния. Оптоволоконные кабели используются как для проведения интернета и кабельного телевидения между домов в городах (по воздуху или под землёй), так и для межконтинентального соединения (бронированный кабель для подводной укладки с усилителями).

Литература

Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. Волоконная оптика и приборостроение. Л.: Машиностроение, 1987. — 199-205 стр.

Электронная библиотека “киберленинка” [Электронный реcурc]. – https://cyberleninka.ru зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 25.12.2019)

Словари и энциклопедии [Электронный реcурc]. – “Академик” https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1290084 – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 26.12.2019)

Дианов Е.М. Волоконные лазеры // УФН. 2004. Т. 174, № 10. С. 1139–1142.

№ 3 Вестник ДВО РАН. УДК 621.373.8 Ю.Н. Кульчин, С.Б. Змеу, Е.П.Субботин, А.И. Никитин

Свободная энциклопедия [Электронный реcурc]. – https://ru.wikipedia.org/wiki/Волоконный_лазер зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 25.12.2019)

 Коллекция научных материалов о лазерах [Электронный реcурc]. – http://www.laser-portal.ru/content_369 зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2019)

Код для цитирования: Скопировать