Конструкции непрерывных волоконных лазеров

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 ²F_7/2 существует единственный возбужденный уровень ²F_5/2.  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.