Импульсные лазеры на основе иттербиевых и висмутовых волоконных световодов

Содержание:
Введение............................................................4
Глава 1. Лазеры на основе иттербиевых и висмутовых волоконных световодов (по литературе)..............................14
1.1 Иттербиевый волоконный световод с многоэлементной первой оболочкой....................................................14
1.2 Волоконный световод, легированный висмутом,
и лазеры на его основе........................................19
1.3 Перестройка длины волны излучения волоконных лазеров.........22
1.4 Пассивная синхронизация мод волоконных лазеров...............24
1.5 Насыщающийся поглотитель SBSAM...............................26
1.6 Методы компенсации ДГС внутри резонатора. Компенсатор ДГС на основе пары отражательных дифракционных решеток..............32
1.7 Волоконные лазеры с модуляцией добротности резонатора........37
1.8 Усилители излучения на основе световодов с увеличенной площадью фундаментальной моды.........................................40
1.9 Постановка задач.............................................44
Глава 2. Иттербиевый волоконный импульсный лазер с акустооптичсской перестройкой длины волны излучения 46
2.1 Акустооптический фильтр (АОФ) и затвор (АОЗ).................47
2.2 Интегрирование анизотропного АОФ с изотропным волоконным резонатором. Высокоотражающсе акустооптическое зеркало.......51
2.3 Варьирование режимов генерации иттербиевого лазера, содержащего нелинейное усиливающее кольцевое зеркало.....................54
2.4 Минимизация длительности импульсов иттербиевого волоконного лазера в режиме активной модуляции добротности резонатора....61
2.5 Усилитель импульсного излучения в диапазоне длин волн 1070-1090 нм на основе активированного иттербием МПО-световода с увеличенной площадью фундаментальной моды....................69
2
2.6 Выводы.....................................................76
Глава 3. Висмутовый волоконный лазер, работающий в режиме пассивной синхронизации мод......................................79
3.1 Алюмосиликатные висмутовые световоды, изготовленные с помощью технологий МСУЕ) и БРСУТ)..................................80
3.2 Синхронизация мод в висмутовом волоконном лазере без компенсации дисперсии групповых скоростей в резонаторе.................86
3.2.1 Лазер с волоконной брэгговской решеткой (ВБР).........88
3.2.2 Лазер с широкополосным волоконным зеркалом Саньяка
(ВЗС)..................................................94
3.3 Выводы....................................................101
Глава 4. Висмутовый волоконный лазер с внутрирезонаторной компенсацией дисперсии групповых скоростей.....................103
4.1 Экспериментальная схема лазера с компенсатором ДГС........104
4.2 Синхронизация мод в висмутовом волоконном лазере с внутрирезона-торным регулированием дисперсии групповых скоростей.......108
4.2.1 Компенсатор ДГС №1.................................109
4.2.2 Компенсатор ДГС №2.................................114
4.3 Выводы....................................................127
Заключение......................................................129
Благодарности...................................................131
Литература......................................................132
з
Введение
С момента своего появления в 60-х годах XX века [1,2], волоконные лазеры интенсивно исследовались и уже в начале XXI столетия, в связи с достижениями в разработке мощных и компактных полупроводниковых источников накачки [3,4], получили достаточно широкое распространение в таких областях науки и техники как обработка материалов (сварка, резка, маркировка, микрообработка) [5,6], медицина [7,8], высокоскоростная и трансконтинентальная волоконная связь [9,10], нелинейная оптика [11,12], метрология [13,14]. К основным преимуществам волоконных лазеров относятся компактность; надежность, обязанная простоте конструкции и минимуму юстируемых элементов; экономичность, обусловленная высокой эффективностью системы накачки; отсутствие серьезных проблем с теплоотводом даже при уровне выходной мощности в сотни ватт; возможность генерировать как одномодозые (практически гауссовы), так и многомодовые пучки; удобство доставки излучения к месту применения с помощью гибкого волоконного кабеля; широкий диапазон мощностей в непрерывном режиме генерации (от единиц мВт до десятков кВт) [5], а также длительностей импульсов в импульсном режиме работы (от единиц микросекунд [5] вплоть до десятков фемтосекунд [6]).
Современная технология изготовления преформ для вытяжки волоконных световодов методами МСУЕ) (модифицированное химическое осаждение из газовой фазы) [15,16], УЛГ) (аксиальное осаждение из газовой фазы) [17,18], ОVI) (внешнее осаждение из газовой фазы) [19,20] и БРСУЕ) (химическое осаждение из плазмы) [21,22] позволяет добиваться низких потерь излучения фундаментальной моды (вплоть до 0.2 дБ/км на длине волны 1.55 мкм [15]), варьировать состав сердцевины и оболочки световода, создавать профили показателя преломления различной формы для получения нужных характеристик световода (таких как диаметр поля фундаментальной моды, число мод, волноводная дисперсия основной и высших мод,
4
нелинейность [23]). При этом в лазерной технике, в основном используются одномодовые световоды, которые поддерживают распространение только одной поперечной моды, имеющей практически гауссово распределение интенсивности излучения по сечению световода [23]. Это дает возможность фокусировать излучение с торца такого световода в пятно диаметром несколько микрон, что необходимо, например, для прецизионной обработки материалов [24].
В последнее время все большее распространение получают лазеры на основе активированных иттербием световодов из кварцевого стекла, сердцевина которых легирована также оксидами алюминия (А120з) или фосфора (Р2О5) [25,26], с длиной волны генерации, лежащей в ближней инфракрасной (ИК) области (~1 мкм) [27]. Несмотря на то, что концентрации активных ионов в сердцевине такого световода относительно невелики (Ю|7-Ч020 см'3) по сравнению с объемными активными элементами твердотельных лазеров вследствие возникающих эффектов концентрационного тушения [28,29] и кластеризации [30,31], которые приводят к снижению квантовой эффективности переходов, высокие коэффициенты усиления и эффективности генерации в соответствующих волоконных лазерах и усилителях достигаются за счет увеличения длины активированного световода, которая может составлять десятки метров.
Одно из главных преимуществ волоконных лазеров связано с эффективной системой ввода излучения накачки в активированный световод [32]. При этом в качестве накачки используются, в основном, полупроводниковые лазерные диоды на основе структуры МЗаАэ, излучение которых с помощью микролинз вводится в одномодовые или многомодовые световоды [3,4]. В последнее время достигнуты существенные успехи в разработке многомодовых лазерных диодов с широкой излучательной поверхностью и большим ресурсом работы со стабильной средней мощностью излучения более 10 Вт в диапазоне длин волн 900+980 нм,
5
который согласуется с полосой поглощения иона иттербия в сердцевине световода на основе кварцевого стекла [27].
Открытие эффекта фоторефракции в световодах [33] и разработка техники записи отражательных брэгговских решеток (ВБР) в его сердцевине [34] позволило формировать высокоселективные зеркала волоконных лазеров непосредственно в световоде. Таким образом, появилась возможность создавать полностью волоконные лазерные системы без объемных элементов [35,36].
Эффективность современного иттербиевого одномодового волоконного лазера, работающего в непрерывном режиме, достигает 85% по отношению к диодной накачке, и 30% — “от розетки” [5]. Все перечисленные преимущества волоконных лазеров, наряду с успехами в развитии технологии изготовления активированных световодов, позволили разработать иттербиевый лазер, работающий в непрерывном режиме (длина волны генерации -1.064 мкм), с одномодовым волоконным выходом средней мощностью излучения более 1 кВт и многомодовым волоконным выходом (путем объединения выходов нескольких одномодовых лазеров) - более 50 кВт [5].
Наряду с непрерывными, интенсивно развиваются также импульсные волоконные лазеры, работающие в режимах модуляции добротности резонатора и синхронизации мод [32], реализация которых предполагает включение в резонатор также и объемных оптических элементов (в том числе поляризационно-чувствительных), таких как модулятор потерь (или фазы), насыщающийся поглотитель, компенсатор дисперсии. Эти объемные элементы необходимо жестко интегрировать (в современной волоконной оптике общепринят термин “пигтейлировать”) с наименьшими потерями со световодами, что является довольно трудной задачей, поскольку требует особых технологических решений. Генерация лазера в импульсном режиме сопровождается существенным увеличением интенсивности излучения, распространяющегося по протяженному световоду, вследствие чего
начинают оказывать влияние нелинейные эффекты [37], что приводит к нежелательному ограничению интенсивности и максимальной энергии лазерных импульсов.
Для генерации ультракоротких импульсов (УКИ) в режиме пассивной синхронизации мод необходимо компенсировать значительную величину дисперсии групповых скоростей (ДГС) внутри резонатора [32,37]. Для этого в него включаются объемные или волоконные компенсаторы ДГС, которые вносят дополнительные пассивные потери и усложняют его конструкцию. Таким образом, разработка импульсных волоконных лазеров является достаточно сложной задачей, требующей преодоления целого ряда трудностей, но, вместе с тем, весьма актуальной.
Широкие полосы люминесценции активных центров в сердцевине световода [32] позволяют создавать перестраиваемые в широком спектральном диапазоне непрерывные [38,39], а также импульсные [40,41] лазеры. При этом обеспечить высокую скорость перестройки с одной длины волны на другую, а также узкую спектральную полосу пропускания, высокую эффективность и малые вносимые потери позволяют быстродействующие акустооптические перестраиваемые спектральные фильтры [42,43]. Однако для их эффективной работы входное излучение должно быть плоскополяризованным [43], что приводит к необходимости согласования таких фильтров с дешевым стандартным изотропным световодом с целью обеспечения стабильной генерации лазера без флуктуаций выходной мощности. К тому же сдвиг несущей частоты излучения, возникающий при дифракции света на бегущей звуковой волне, приводит к довольно сложной картине генерации лазера [44] с возможностью реализации даже стабильного импульсного режима [40].
В настоящее время проводится работа по расширению диапазонов выходных характеристик волоконных непрерывных и импульсных лазеров. В частности, диапазона длин волн излучения. Недавно были опубликованы результаты исследования нового типа активной среды - волоконного
световода на основе кварцевого стекла, сердцевина которого легирована висмутом [45]. Полосы поглощения активных висмутовых центров в нем лежат в диапазоне длин волн генерации волоконных иттербиевого и ВКР-лазеров [45,46], что очень удобно с точки зрения создания полностью волоконной системы, а их спектр люминесценции простирается от 1.1 мкм до
1.7 мкм [46]. Это, в свою очередь, даёт основания надеяться на возможность генерации УКИ с длительностью вплоть до субпикосекунд при осуществлении режима пассивной синхронизации мод, что может явиться альтернативой хорошо известному твердотельному лазеру УКИ на кристалле форстерита, легированного хромом [47].
Однако довольно малая концентрация висмута приводит к необходимости работать с большими длинами световодов, достигающими десятков метров [45,46]. Это создает значительные трудности при разработке лазеров УКИ, так как существенная величина ДГС и влияние нелинейных эффектов внутри длинного волоконного резонатора препятствуют сокращению длительности и увеличению энергии лазерных импульсов.
Круг задач, рассматриваемых в данной работе, связан с исследованием иттербиевых импульсных волоконных лазеров с перестройкой длины волны излучения, в резонатор которых помимо активированных иттербием изотропных световодов входят дополнительные элементы, обеспечивающие работу лазера в импульсном режиме и перестройку длины волны генерации. Наряду с этим исследуется возможность усиления излучения таких лазеров и достижения импульсных мощностей узкополосного излучения киловаттного уровня.
В число задач данной работы также входило исследование возможности реализации режима непрерывной пассивной синхронизации мод в лазере на основе нового типа активной среды - световода, легированного висмутом. При этом с целью сокращения длительности УКИ исследовалась схема лазера с внутрирезонаторным компенсатором ДГС на основе пары отражательных дифракционных решеток.
Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью реализации эффективных и удобных в эксплуатации источников лазерного излучения, генерирующих импульсы с длительностями от наносекунд до фемтосекунд в широком диапазоне длин волн.
Следует отметить, что круг вопросов, связанных с исследованием иттербиевых лазеров и процесса усиления излучения достаточно широк, поэтому данная работа посвящена исследованию лишь отдельных аспектов этих проблем. В то же время, получение и исследование генерации висмутового волоконного лазера в режиме пассивной синхронизации мод выполнено впервые.
Основные цели работы можно сформулировать следующим образом:
1. Реализация и исследование стабильной генерации в режиме активной модуляции добротности с минимизацией длительности импульсов в лазере на основе изотропного активированного иттербием световода с многомодовой диодной накачкой в диапазоне перестройки длины волны излучения анизотропным акустооптическим спектральным фильтром.
2. Создание и исследование эффективного мощного одномодового усилителя импульсного излучения на основе активированного иттербием изотропного световода с увеличенной площадью фундаментальной моды.
3. Реализация и исследование режима пассивной синхронизации мод, инициируемого с помощью насыщающегося поглотителя SESAM в лазере на основе алюмосиликатного волоконного световода, активированного висмутом, при его накачке непрерывным излучением иттербиевого волоконного лазера.
4. Генерация УКИ ликосекундной длительности в висмутовом волоконном лазере, работающем в режиме пассивной синхронизации мод, путем регулирования внутрирезонаторной ДГС с помощью пары дифракционных решеток.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Каждая глава (кроме первой) завершается выводами, в которых содержатся основные результаты.
Крат кое содержание диссертации
В Главе 1 диссертации проведен обзор опубликованной литературы, касающейся вопросов импульсной генерации волоконных лазеров в режимах синхронизации мод и модуляции добротности резонатора, при этом более подробно рассмотрены особенности реализации режима синхронизации мод с помощью насыщающегося поглотителя SESAM. Обсуждаются дисперсионные свойства световодов и методы компенсации ДГС внутри резонатора, при этом подробно описывается компенсатор ДГС на основе пары отражательных дифракционных решеток, указываются его преимущества и недостатки. Представлена диаграмма энергетических уровней иона иттербия в сердцевине световода на основе кварцевого стекла и дана схема ввода многомодового излучения накачки в активный иттербиевый световод с многоэлементной первой оболочкой (МПО-световод). Описаны особенности световодов, активированных висмутом, а также представлен обзор висмутовых волоконных лазеров, реализованных к настоящему моменту. Дан краткий обзор особенностей перестройки длины волны генерации волоконных лазеров и усиления излучения з волоконных световодах с увеличенной площадью фундаментальной моды и многомодовой диодной накачкой.
Глава 2 посвящена получению и исследованию режимов синхронизации мод и модуляции добротности резонатора лазера на основе изотропного иттербиевого МПО-световода с многомодовой диодной накачкой в диапазоне перестройки длины волны его излучения с помощью анизотропного акустооптического спектрального фильтра.
В начале главы описываются принципы работы акустооптических фильтра и затвора, а также приводится эффективный способ согласования изотропного световода с анизотропным элементом. Далее приводятся
10
результаты исследования режимов генерации лазера, содержащего нелинейное усиливающее кольцевое зеркало, при перестройке длины волны излучения. Затем описывается эффективный способ генерации лазерных импульсов длительностью, соответствующей одному проходу резонатора, при активной модуляции его добротности. В конце главы представлено исследование процесса усиления лазерных импульсов наносекундной длительности в мощных одномодовых волоконных усилителях на основе изотропных иттербиевых МПО-световодов с увеличенной площадью фундаментальной моды, при их накачке многомодовым излучением.
Глава 3 диссертации посвящена реализации и исследованию режима пассивной синхронизации мод, который инициировался с помощью полупроводникового насыщающегося поглотителя SESAM, в лазере на основе новой активной среды - волоконного световода, активированного висмутом - при его накачке непрерывным излучением иттербиевого волоконного лазера.
В начале главы приводятся основные характеристики активных висмутовых световодов, преформы для вытяжки которых были изготовлены с помощью технологий MCVD и SPCVD. Далее даются параметры насыщающегося поглотителя SESAM, а также описываются схемы накачки и измерения параметров излучения висмутового лазера. В следующей части главы подробно исследуется и анализируется влияние типа и параметров выходного зеркала резонатора без компенсации ДГС на характеристики генерируемых импульсов.
В главе 4 диссертации описывается висмутовый волоконный лазер, работающий в режиме пассивной синхронизации мод, с регулированием ДГС внутри резонатора с помощью пары отражательных дифракционных решеток. В начале главы представлена экспериментальная схема лазера с решеточным компенсатором ДГС. Далее описаны особенности генерации УКИ в зависимости от параметров лазерного резонатора и компенсатора ДГС. Также в главе 4 представлена генерация УКИ пикосекундной
длительности, полученных путем оптимизации внутрирезонаторной ДГС; при этом обсуждаются ограничения, препятствующие сокращению длительности импульсов, и способы их преодоления.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертации. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Иттербиевый волоконный лазер с многомодовой диодной накачкой и перестройкой длины волны генерации в режиме активной модуляции добротности резонатора излучает гладкие импульсы колоколообразной формы с варьируемой частотой следования, длительность которых соответствует одному проходу резонатора.
2. Эффективный усилитель с выходной пиковой мощностью наносекундных лазерных импульсов киловаттного уровня и одномодовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка реализован на основе маломодовых иттербиевых МПО-световодов с увеличенной площадью фундаментальной моды.
3. Режим непрерывной пассивной синхронизации мод инициируется с помощью насыщающегося поглотителя SESAM в лазере на основе световода, активированного висмутом, при его накачке непрерывным излучением иттербиевого волоконного лазера.
4. Висмутовый волоконный импульсный лазер с регулировкой ДГС внутри ■ резонатора с помощью пары дифракционных решеток излучает в режиме непрерывной пассивной синхронизации мод стабильные УКИ пикосекундной длительности.
Апробация работы
По материалам, вошедшим в диссертационную работу, было опубликовано 6 печатных статей в российских и иностранных журналах, которые выделены жирным шрифтом в списке цитируемой литературы. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на российских и международных конференциях: XII
Conference on Laser Optics (Санкт-Петербург, Россия, 26-30 июня 2006), XI
12