ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ

В волоконном лазере [17][49] активной средой является сердцевина оптиче­ского волоконного световода, активированная ионами редкоземельных эле­ментов. Как правило, это одномодовое волокно (для длины волны, на кото­рой работает волоконный лазер), изготовленное из плавленого кварца. Пу­чок накачки пропускается продольно вдоль длины волокна, и может быть либо направлен непосредственно в саму сердцевину, где излучение распро­страняется так же, как и излучение лазерной моды (обычный одномодовый волоконный лазер), рис. 9.6а, либо через внешнюю оболочку, окружающую эту сердцевину (волоконный лазер с двойной оболочкой), рис. 9.66. Следует отметить, что хотя волоконные лазеры были продемонстрированы вскоре после появления лазеров [18], они вызвали практический интерес после раз4 работки подходящих диодных лазеров (способных обеспечить эффективную накачку) и развития технологии изготовления одномодовых кварцевых во­локон с нужными примесями. Отличительными особенностями этих одно­модовых лазеров является очень низкий порог накачки и очень большой коэффициент усиления, который можно получить даже при умеренных мощ4 ностях накачки от диодных лазеров. В последнее время возрос интерес к во­локонным лазерам как к лазерам, которые способны работать с высокими мощностями. Это обусловлено тем, что геометрия волокна дает возможность существенно снизить роль тепловых эффектов, характерных, например, длй таких объемных элементов, как лазерные стержни.

Изложение условий, нужных для того, чтобы в волокне распространяв лась лишь мода наинизшего порядка, будет проведено в разд. 9.2.6.1, а здес& мы просто отметим, что в обычном одномодовом волокне поперечные разме* ры пучков накачки и собственно лазерного излучения, wp и и>0 соответствен-

Рис. 9.6

А) Запуск с торца в сердцевину обычного волокна, б) Накачка через оболочку: запуск с торца во внутреннюю оболочку волокна с двойной оболочкой, что приводит к последовательным поглощениям распространяющегося по волокну излучения накачки за счет поглощений в сердцевине

Но, сравнимы с радиусом сердцевины а (типично а = 2,5 мкм). Тем самым ьир 1/ии0 в 10-50 раз меньше соответствующих типичных значений объемных устройств (см. примеры 7.4 и 7.5). Из выражений (6.3.19) и (6.3.24), спра­ведливых собственно для четырех - и для квазитрехуровневых лазеров, мож­но видеть, что пороговая мощность накачки РгН пропорциональна + м>|).

Следовательно, можно ожидать, что для одних и тех же значений лазерных параметров (например, у, ое, г|р, т для четырехуровневого лазера), РгН должна быть меньше на два или три порядка для волоконного лазера по сравнению с объемным лазером. Известно, что стеклянная матрица обычно уширяет ши­рину линии перехода более чем на порядок по сравнению с кристаллической матрицей, что соответственно уменьшает сечение испускания. Несмотря на это, снова согласно примерам 7.4 и 7.5, ожидаются пороговые мощности ниже 1 мВт, что и было достигнуто в волоконных лазерах. Это соображение также показывает, что лазерная генерация может быть получена в случае актив­ных сред с очень малой квантовой эффективностью и соответственно с корот­ким временем жизни т. С другой стороны, выражения для наклона кривой коэффициента полезного действия для четырех - и квазитрехуровневого ла­зера (см. (7.3.13) и (7.4.10) как идентичные), оказывается не зависящим от времени жизни верхнего состояния, а зависит исключительно от эффектив­ности накачки г|р. Таким образом, высокую дифференциальную эффектив­ность (наклон кривой КПД) можно получить, если обеспечить максимальное поглощение мощности накачки (т. е. гр = 1). Иными словами, те лазерные переходы, которые представляются как неэффективные в случае объемных лазеров, могут иметь достаточно низкий порог в случае волоконных лазеров и показать высокий дифференциальный КПД.

Интересным следствием того, что геометрия волоконного световода по­зволяет иметь высокую интенсивность накачки, является сильное обедне­ние основного уровня активной среды волоконного лазера. Для примера рас­смотрим четырехуровневый лазер (Ы(1:стекло) и пусть 2^ — плотность пото­ка накачки (для простоты предполагается однородной в сердцевине), а и АГ2 — населенности основного и верхнего уровней соответственно. Тогда в случае непрерывного режима и отсутствия лазерной генерации можно про­сто написать следующее балансное уравнение:

А^г = ЛГ2/х, (9.2.1)

Где ар — сечение поглощения накачки, а т — время жизни верхнего состоя­ния. Таким образом, чтобы иметь надо иметь = (1р/Нур) = (1/арт),

Где 1р — интенсивность накачки, а Нр — энергия фотона накачки. В соот­ветствии с рис. 6.8а и табл. 9.3 мы примем для Ы(1:кварцевого волокна ор = 2,8 • Ю“20 см2 и х = 300 мкс. Из вышеуказанного выражения получаем 1р = (Ьур/<зрт) г 25 кВт/см2, так что Рр = 1рАсоге = 0,25 мВт, гдеАсогв — площадь сердцевины, принятая « 10“7 см2. Таким образом, в рассмотренном примере более половины населенности основного состояния переводится на верхний уровень при мощности накачки ~1 мВт или даже менее. Из легкости, с кото­рой происходит обеднение основного уровня при накачке, следует, что при типичных мощностях накачки уменьшение коэффициента поглощения из-за
обеднения основного уровня может происходить на длинах, много превы* шающих длину поглощения малого сигнала I (I = 1/ар, где ар — коэффици­ент поглощения для слабого сигнала на длине волны накачки). Фактически можно показать, что если мощность накачки Рр превышает мощность насы­щения в х раз, то мощность накачки будет проникать в волокне на расстоя­ние приблизительно в х раз большем по сравнению с длиной поглощения. Это обстоятельство следует принимать во внимание при выборе оптималь­ной длины волокна.

Как было показано выше, высокие значения интенсивности накачки в обычном одномодовом волокне способны перевести существенную долю на­селенности основного состояния на некоторый верхний уровень активного иона. При этом условии второй фотон накачки на той же самой или на дру­гой длине волны может увеличить заселен­ность еще более высоко лежащего уровня. С этого уровня может происходить генерация на нижний уровень, например на уровень ос­новного состояния, так что энергия испускае­мого фотона будет даже большей, чем энер­гия фотона накачки (рис. 9.7). Лазер, рабо­тающий по такой схеме, с использованиями двух или более фотонов одинаковой или Рази­ных длин волн для создания инверсии, назы­вается ап-конверсионным лазером. Хотя та­кие схемы работали с объемными средами, с появлением волоконных лазе­ров, использующих особые волокна, стало значительно легче реализовывать их. Фактически в кварцевых волокнах главным препятствием для реализа­ции такой ап-конверсионной схемы является безызлучательный распад уров­ней, задействованных в схеме, который обусловлен многофононной дезакти­вацией. Как это было объяснено в разд. 2.6.1, вероятность такого распада силь­но зависит от числа фононов, которые должны быть испущены в этом процессе* В этом случае энергия фонона является максимальной энергией в фононном спектре материала матрицы, и для конкретного перехода скорость безызлуча* тельного распада сильно увеличивается при увеличении этой энергии фонона* Для плавленого кварца эта энергия соответствует -1150 см-1, она проявляет­ся в быстром безызлучательном распаде для области разностей лазерных уров­ней менее чем -4500 см”1. Существенное уменьшение скорости безызлуча - тельного распада может получиться при выборе материала с пониженной энергией фонона. Среди таких материалов, из которых можно изготавли­вать волокна, наиболее широко используются смеси флюоридов тяжелых металлов, которые называются ZBLAN (сокращение из обозначений элемен­тов циркония, бария, лантана, алюминия и натрия) и имеют максимум энер­гии фонона лишь 590 см”1. Первоначально разработка таких волокон без до­бавления активных ионов мотивировалась стремлением уменьшить погло­щение в ИК-области, поскольку это характерно для флюоридов тяжелых металлов. Это, в свою очередь, важно для перспектив создания волокон Ц ультранизкими потерями для телекоммуникаций. Примером реализован

Возможностей являются ZBLAN волокна, активированные Тш3+. При накач­ке тремя фотонами на той же длине волны (Л, = 1120 ч-1150 нм) получился очень эффективный апконверсионный лазер, работающий в голубой области спектра (А, = 480 нм), с выходной мощностью, превышающей 200 мВт. В слу­чае ZBLAN волокон, активированных Рг3+, при накачке двумя фотонами на -1010 нм и ~835 нм получалась генерация на нескольких переходах от голу­бого до красного (к = 491, 520, 605, 635 нм), выдавая, например в голубой области, выходную мощность до -200 мВт. Эти данные демонстрируют воз­можность практических, полностью твердотельных ап-конверсионных ла­зерных источников в голубой области спектра.

Те же самые соображения, приводящие к низким порогам мощности накачки волоконных лазеров, также указывают на очень высокие коэффи­циенты усиления, которые можно получить при умеренных непрерывных мощностях накачки. Это обеспечивает основу наиболее важного на сегодня применения активных волокон, а именно усилителя на основе волокна, активированного Ег3+ (ЕБЕА), который используется в качестве усилителя оптических сигналов в системах волоконной связи, работающих на длине волны ~1,5 мкм. Однако роль в качестве оптического усилителя не ограни­чивается телекоммуникацией. С ростом интереса к высокомощным волокон­ным лазерам возрастает роль волоконных усилителей (здесь обычно имеют в виду усилители на волокнах, активированных УЪ3+, или УБЕА-усилители, работающие на длинах волн ~1 мкм). Они преимущественно используются в схеме МОРА (задающий генератор и усилитель мощности), где последова­тельность каскадов волоконных усилителей обеспечивает прогрессивное на­ращивание выходной мощности. Теперь мы переходим к следующему разде­лу, посвященному волоконным лазерам высокой мощности.