Сверхактивное развитие современной промышленности зачастую стимулирует появление и новых технологических подходов, основанных на передовых научных разработках, направленных на расширение спектра и количества выпускаемой продукции. Удачным примером такого симбиоза требований производства с научными достижениями стала область лазерных технологий. Масса преимуществ с минимумом недостатков стали причиной повсеместного внедрения в сфере маркировки деталей, узлов и изделий оборудования, основой которого стали лазерные технологии.

В индустрии лазерной маркировки применяется широкая гамма лазерного оборудования (КАТАЛОГ) , основанная на применении разных типов лазерных излучателей. Качество излучения, значительный рабочий ресурс и стабильность генерируемого светового потока обусловили самое широкое применение маркировочной аппаратуры на основе твердотельных лазеров. Промышленный маркиратор на базе твердотельного лазера изготавливается в различных форм-факторах и в зависимости от требований производства может быть как компактным для гибкого применения в условиях производственного участка, так и стационарным с дополнительным оборудованием для маркировки серийных партий.

Волоконные лазеры, активно применяющиеся во многих лазерных системах маркировки, относятся к группе твердотельных лазеров, работают с длиной волны 1,064 мкм и позволяют добиваться на выходе высокой мощности луча. Оптоковолоконный лазер генерирует энергию за счёт диодной накачки активной среды, в качестве которой выступает встроенное оптическое волокно.

Типовая схема подобного устройства состоит из трёх основных компонентов:

1. Модуль накачки. В качестве источника накачки оптических волноводов применяются широкополосные светодиоды или лазерные диоды с одномодовым излучением, обеспечивающие высокую яркость и большой ресурс выработки;
2. Активная среда. Состоит из активного оптоволокна и волновода накачки. Используются волоконные световоды, легированные добавками редкоземельных элементов или висмута. Плотность легирования определяется длиной изготавливаемого оптоволокна. В качестве основного материала оптоволокна выступает сверхчистый плавленый кварц, обладающий минимальными оптическими потерями. Верхний предел мощности накачки подобного легированного кварца составляет единицы киловатт, который определяется предельной мощностью излучения на единицу площади, при которой материал не разрушается;
3. Оптический резонатор. Выполняет функции резонансной системы лазера и предназначен для создания положительной обратной оптической связи, за счёт которой лазерный усилитель превращается в лазерный генератор. Он фокусирует излучаемый активным веществом свет в один узкий пучок. Резонатор определяет спектр, поляризацию и направленность генерируемого излучения. Чаще всего в конструкции резонатора используют брэгговские зеркала, кольцевые резонаторы и резонаторы типа Фабри-Перо.

Области применения технологического оборудования для маркировки, оснащённые оптоволоконными лазерами, достаточно разнообразны: точная микрообработка различных материалов, нанесение графической маркировки, микрофрезеровка, нанесение надписей на приборных панелях, художественное структурирование поверхностей. Маркировочная табличка и шильдики, идентифицирующие штрих-коды, обработка тонких фольгированных материалов - всё это с легкостью подвластно аппаратуре на основе оптиковолоконных лазеров.

Устройства маркировки на базе волоконных лазерных излучателей успешно конкурируют с другими видами маркировки, как традиционными, так и на основе других типов лазеров. Они имеют невысокую стоимость, компактны, просты в эксплуатации, имеют высокую скорость работы и КПД.

Перевод Сергея Рогалева

Под термином «оптоволоконный лазер» обычно понимается лазер с оптическим волокном в качестве усиливающей среды, хотя некоторые лазеры с полупроводниковой усиливающей средой и волоконным резонатором также назвают оптоволоконными лазерами. В большинстве случаев усиливающей средой оптоволоконных лазеров является волокно, допированное редкоземными ионами, такими как эрбий (Er 3+), неодим (Nd 3+), иттербий (Yb 3+), тулий (Tm 3+) или празеодимий (Pr 3+). Для накачки используются один или несколько лазерных диодов.

Резонатор оптоволоконного лазера

Для создания линейного резонатора оптоволоконного лазера, необходимо использовать некоторый отражатель (зеркало), или же создать кольцевой резонатор (кольцевой оптоволоконный лазер).

В линейных резонаторах оптоволоконного лазера используются различные типы зеркал:

· В простых лабораторных установках обычные диэлектрические зеркала могут прикрепляться к перпендикулярно сколотым концам волокна, как показано в рисунке 1. Этот подход, однако, не очень практичен для массового производства и также не очень надежен.

· Френелевское отражение от торца волокна часто достаточно для использования в качестве выходного зеркала резонатора волоконного лазера. На Рис. 2 приведен пример.

· Также возможно внести диэлектрические покрытия непосредственно на концах волокна, обычно методом напыления. Такие покрытия могут использоваться для отражения в широком диапазоне.

· Во многих волоконных лазерах используются волоконные брэгговские решетки, сформированные непосредственно в легированном волокне, или в нелегированном волокне, спаянным с активным слоем. Рисунок 3 показывает лазер распределенным брэгговским отражателем (РБО лазер) с двумя волоконными решетками, но есть также лазеры с распределенной обратной связью с одной решеткой в легированных волокнах со сдвигом фазы в середине.

· Лучшие характеристики по мощности можно получить за счет использования коллиматора на выходе света из волокна и отражения его обратно с помощью диэлектрического зеркала (рис. 4). Интенсивность на зеркале значительно снижается из-за гораздо большей площади пучка. Однако, небольшое смещение может привести к существенным потерям при отражении, поляризационно-зависимые потери и т.д.

· Другой вариант заключается в использовании зеркала в форме петли волокна (рис. 5), на основе волоконной муфты (например, с коэффициентом разделения 50:50) и куска пассивного волокна.

Большинство волоконных лазеров накачиваются одним или несколькими диодными лазерами с волоконными выходами (излучение лазерного диода вводится в волокно). Накачка света может осуществляться непосредственно в сердцевину, или во внутреннюю оболочку волокна в мощных лазерах.

ТОМАС ШРИБЕР, АНДРЕАС ТЮННЕРМАН и АНДРЕАС ТОМС

Благодаря идентификации проблем мощных волоконных лазеров и оптимизации оптического волокна, была достигнута одномодовая мощность 4,3 кВт с будущим возможным масштабированием и новыми сверхбыстрыми лазерными приложениями в разработке.

Если есть одна очевидная тенденция в лазерной технологии, то это рост волоконных лазеров. Волоконные лазеры взяли на себя долю рынка от мощных CO2-лазеров, а также от объемных твердотельных лазеров при мощной резке и сварке. Крупные производители волоконных лазеров в настоящее время обращаются к ряду новых приложений, чтобы завоевать еще больше рынков.

Среди мощных лазеров одномодовые системы предлагают функции, которые делают их желательными: они обладают самой высокой яркостью, и их можно сфокусировать до нескольких микрон и до самых высоких интенсивностей. Они также демонстрируют наибольшую глубину фокуса, что делает их наиболее подходящими для дистанционной обработки.

Тем не менее, их сложно изготовить, и только лидирующая на рынке лидирующая компания PHG Photonics (Oxford, MA) предлагает систему мощностью 10 кВт с одномодовым излучением (2009).

К сожалению, нет данных на эти характеристики луча, в частности, о любых возможных многомодовых компонентах, которые могут соответствовать одномодовому лучу.

Команда исследователей в Германии продемонстрировала одномодовую мощность 4,3 кВт от волоконного лазера, в которой выход был ограничен только мощностью входной накачки.

Финансируется правительством Германии и в сотрудничестве с TRUMPF (Ditzingen, Germany), Active Fiber Systems, Jenoptik и Лейбницским институтом фотонных технологий, группой ученых из Университета Фридриха Шиллера и Института прикладной оптики и точной инженерии Фраунгофера (все В Йене, Германия) проанализировали проблемы для масштабирования таких лазеров, а затем разработали новые волокна для преодоления ограничений. Команда успешно завершила серию испытаний, показывающих одномодовый выход 4,3 кВт, в которых выход волоконного лазера ограничивался только мощностью входной накачки.

Эффекты сдерживания для одномодового волоконного лазерного масштабирования

Каковы проблемы для такого одномодового мощного волоконного лазера? Они могут быть сгруппированы в три поля: a) улучшенная накачка, b) разработка активного волокна с низкими оптическими потерями, работающими только в одномодовом режиме, и c) правильное измерение результирующего излучения.

В этой статье мы будем предполагать, что а) решается с помощью высокоярких лазерных диодов и соответствующих методов развязки, и сосредоточимся на двух других областях.

В рамках разработки активного волокна для высокомощного одномодового режима для оптимизации используются два общих набора параметров: легирование и геометрия. Все параметры должны быть определены для минимальных потерь, одномодового режима и, наконец, мощного усиления. Идеальный волоконный усилитель обеспечит высокую скорость преобразования более 90%, отличное качество луча и выходную мощность, ограниченную только доступной мощностью накачки.

Однако повышение масштаба одномодовой системы до более высоких мощностей может привести к большей плотности мощности внутри активной активной зоны, увеличению тепловой нагрузки и ряду нелинейных оптических эффектов, таких как вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS) ,

В зависимости от размера активной сердцевины можно возбуждать и усиливать несколько поперечных мод. Для заданного шага индекса между ядром и оболочкой, чем меньше активное сечение активной ячейки, тем меньше число таких режимов. Однако меньший диаметр также означает более высокую плотность мощности. Несколько трюков, таких как сгибание волокна, добавляют потери для более высоких режимов.

Тем не менее, для больших диаметров сердечника и при тепловой нагрузке могут возникать другие режимы. Эти режимы подвержены взаимодействию во время усиления — без оптимальных условий распространения, выходной профиль может стать пространственно или временно неустойчивым.

Нестабильности поперечных мод

Иттербий (Yb) -допированные волокна являются типичной рабочей средой для мощных одномодовых волоконных лазеров. Но за пределами определенного порога они показывают совершенно новый эффект — так называемые неустойчивости поперечной моды (TMI).

При определенном уровне мощности внезапно появляются более высокие режимы или даже моды оболочки, энергия динамически передается между этими режимами, а качество луча уменьшается.

Пучок начинает колебаться на выходе.

Поскольку TMI была обнаружена, она наблюдалась в различных конструкциях волокон от волокон с шаговым индексом до волокон фотонного кристалла. Только его пороговое значение зависит от геометрии и легирования, но грубая оценка говорит о том, что этот эффект превышает выходную мощность 1 кВт.

Тем временем было обнаружено, что эффект связан с тепловыми эффектами внутри волокна с сильным отношением к эффектам фотопотемнения. Более того, восприимчивость волоконных лазеров к TMI, по-видимому, зависит от состава ядра.

Геометрия шагового индекса приводит к ряду параметров для оптимизации. Диаметр сердечника, размер облицовки насоса и индекс разности преломления между сердечником и оболочкой насоса могут быть настроены. Эта настройка зависит от концентрации легирующей примеси, т. е. концентрация ионов Yb может быть использована для управления длиной поглощения излучения накачки в активном волокне. Другие добавки могут быть добавлены для снижения тепловых эффектов и управления этапом показателя преломления.

Но есть некоторые противоположные требования. Чтобы уменьшить нелинейные эффекты, волокно должно быть короче. Однако для снижения тепловой нагрузки волокно должно быть длиннее. Фото-потемнение растет с квадратом концентрации легирующей примеси, поэтому более длинные волокна с более низким допингом также будут лучше.

Приложения в ультрабыстрой науке

После примерно десятилетия стагнации в области масштабирования мощных одномодовых волоконных лазеров теперь представляется целесообразным разработать новое поколение волоконных лазеров с киловаттным классом с отличным качеством луча.

Показаны выходные мощности 4,3 кВт, ограниченные только мощностью накачки.

Определены основные ограничения для дальнейшего масштабирования, и были определены пути преодоления этих ограничений.

Следует отметить, что это было тщательное исследование всех известных эффектов и последующая оптимизация параметров, которые привели к успехам в дизайне волокон и, наконец, к новым рекордам в выходной мощности.

Дальнейшее масштабирование и адаптация волокна для других приложений кажутся выполнимыми и будут нацелены дальше.

Это открывает ряд интересных перспектив.

С одной стороны, передача результатов в промышленные продукты желательна партнерами по проекту, но потребует дополнительных крупных усилий в области развития.

С другой стороны, эта технология очень важна для масштабирования других волоконно-оптических лазерных систем, таких как фемтосекундные волоконные усилители.

REFERENCES

1. F. Beier et al., «Single-mode 4.3 kW output power from a directly diode-pumped Yb-doped fiber amplifier,» to be published in Opt. Express.
2. T. Eidam et al., Opt. Lett., 35, 94–96 (2010).
3. M. Müller et al., Opt. Lett., 41, 3439–3442 (2016).

Эти лазеры весьма условно можно выделить в отдельный тип, так как в них использован примерно такой же механизм возбуждения активной среды (накачки), как у газовых или твердотельных лазеров.

В качестве накачки также используются лазерные диоды. Эти источники были разработаны для телекоммуникационных систем волоконной связи, где они применяются в качестве усилителей сигналов. Представьте себе, что кристалл, в котором происходит генерация полезного лазерного излучения, как бы растянут на несколько десятков метров и представляет собой сердцевину волокна диаметром несколько микрон, которая находится внутри кварцевого волокна. Излучение диодов направляется в кварцевое волокно, и на всем его протяжении происходит оптическая накачка сердцевины.

Применение лазерного стекла в качестве активного элемента в твердотельных лазерах известно давно. В отличие от кристаллов, лазерные стекла имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , BeF 2 , в них содержатся Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3 , Sb 2 O 3 . Активными примесями чаще всего служат ионы неодима Nd 3+ ; используются также гадолиний Gd 3+ , эрбий Er 3+ , гольмий Но 3+ , иттербий Yb 3+ . Концентрация ионов неодима Nd 3+ в стеклах доходит до 6% (по массе).

В лазерных стеклах достигается высокая концентрация активных частиц. Другим достоинством таких стекол является возможность изготовления активных элементов больших размеров практически любой формы и с очень высокой оптической однородностью. Стекла получают в платиновых или керамических тиглях. К недостаткам использования стекол в качестве лазерных материалов следует отнести относительно широкую полосу генерации (3­10 нм) и низкую теплопроводность, препятствующую быстрому отводу тепла при мощной оптической накачке.

Волоконные лазеры имеют очень высокую (до 80%) эффективность преобразования излучения лазерных диодов в полезное излучение. Для обеспечения их работы достаточно воздушного охлаждения. Эти лазерные источники весьма перспективны для систем цифровой записи печатных форм.

На рис. 3.22 представлена схема работы волоконного лазера с полупроводниковой накачкой и в общем виде весь оптический тракт вплоть до обрабатываемого материала. Главная особенность этого лазера состоит в том, что излучение здесь рождается в тонком, диаметром всего 6­8 мкм, волокне (сердцевине; например, активной средой может быть иттербий), которое находится внутри кварцевого волокна диаметром 400­600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, имеющего в длину несколько десятков метров.

Рисунок 3.22 – Оптическая система с волоконным лазером:

1 – сердцевина, легированная иттербием, диаметр 6-8 мкм; 2 – кварцевое волокно, диаметр 400-600 мкм; 3 – полимерная оболочка; 4 – внешнее защитное покрытие; 5 – лазерные диоды оптической накачки; 6 – оптическая система накачки; 7 – волокно (до 40 м); 8 – коллиматор; 9 – модулятор света; 10 – фокусирующая оптическая система

Излучение оптически накачивает сердцевину, и именно здесь, на атомах иттербия, происходят физические превращения, приводящие к возникновению лазерного излучения. Вблизи концов волокна на сердцевине делают два так называемых дифракционных зеркала в виде набора насечек на цилиндрической поверхности сердцевины (дифракционные решетки) – так создается резонатор волоконного лазера. Общую длину волокна и количество лазерных диодов выбирают, исходя из требуемой мощности и эффективности. На выходе получается идеальный одномодовый лазерный пучок с весьма равномерным распределением мощности, что позволяет сфокусировать излучение в пятно малого размера и получить большую, чем в случае мощных твердотельных Nd:YAG­лазеров, глубину резкости.

Стоит также отметить, что ряд таких свойств излучения волоконных лазеров, как, например, характер поляризации пучка, делает удобным и надежным управление этим излучением с помощью акусто­оптических устройств и позволяет реализовать многолучевые схемы записи изображений.

Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, то отсутствуют такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, искажения волнового фронта вследствие дефектов самого кристалла, нестабильность луча во времени и др., которые всегда препятствовали достижению максимальных возможностей твердотельных систем. Однако сами принципы строения и работы волоконного лазера гарантируют высокие эксплуатационные характеристики и делают данные устройства совершенными преобразователями светового излучения в лазерное.

«Сердечник» лазера толщиной всего лишь несколько микрометров состоит из иттербия и функционирует как резонатор. Наилучшего качества удается добиться при длине волны излучения 1110 нм, при этом длина оптоволоконного кабеля может достигать 40 м. Серийно выпускаются лазеры мощностью от 1 до 100 Вт, с КПД около 50%. Оптоволоконные лазеры обычно не требуют специального охлаждения. Минимальный размер пятна у современных оптоволоконных лазеров – около 20 мкм, причем при использовании механизмов коррекции его удается уменьшить до 5 мкм. Глубина фокуса составляет 300 мкм, что позволяет без механизма автофокусировки успешно работать с формными материалами различной толщины.

Под волоконными лазерами понимают твердотельные лазеры с оптической накачкой, активным элементом в которых является волоконный световод с добавками лазерных активаторов. Наиболее перспективными для световодных систем являются лазеры на волокнах, активированных ионами неодима Ионы неодима имеют две основные лазерные линии с центральными длинами волн мкм и мкм, лежащими в спектральном диапазоне, где потери и дисперсия света в кварцевых волокнах минимальны.

Рис. 4.11. Зависимость длины ретрансляционного участка от скорости передачи информации для ступенчатого световода с затуханием для мкм:

1 - для лазерного диода (спад характеристики на участке ВС обусловлен межмодовой дисперсией) 2 - для сбетоизлучающего диода (спад характеристики обусловлен на участке широким спектром диода, на участке - дополнительно спадом частотной характеристики)

Спектральные характеристики усиления неодима практически не зависят от внешних условий, темпер атурный дрейф длины волны, соответствующей максимуму усилений ионов неодима, равен тогда как для полупроводниковых сред этот параметр составляет Волоконная конструкция излучателя позволяет с помощью стандартных разъемов эффективно вводить излучение в волоконные световоды, в том числе и одномодовые.

Несмотря на эти достоинства и, как будет показано ниже, широкие функциональные возможности, волоконные лазеры до сих пор не вышли из стадии исследований. Объясняется это тем, что при создании волоконно-оптических систем многие задачи решались с использованием хорошо разработанных полупроводниковых излучателей, особенно во внедряемых в первую очередь достаточно простых системах, где определяющую роль играет одно из основных преимуществ полупроводниковых источников - возможность прямой модуляции интенсивности излучения током накачки. В твердотельных лазерах, в частности в лазерах на средах, активированных неодимом, скоростная модуляция интенсивности излучения изменением мощности накачки принципиально невозможна в силу сравнительно большого времени продольной релаксации. Невозможность быстрого «включения» инверсной населенности ограничивает частоты прямой модуляции значениями Гц. Развитие световодных систем, особенно перспективных систем ближайшего будущего с когерентным приемом и многоканальным спектральным

уплотнением стимулирует разработки волоконных лазеров, которые могут использоваться не только как генераторы, но и как усилители света.

Существующие конструкции волоконных лазеров можно разделить на три группы. В волоконных лазерах первой группы используются жгуты из нескольких волокон большой длины и мощная накачка импульсными газоразрядными лампами . Положительная обратная связь в таких конструкциях образуется за счет отражения света от торцов волокон и обратного рассеяния на микроизгибах и неоднородностях.

Рис. 4.12. Конструкции волоконных лазеров а - с торцовой накачкой; б - с поперечной накачкой дляволокон малого диаметра, в-с непосредственной укладкой волокон на линейку - излучающая площадка - зеркало резонатора лазера, прозрачное для излучения , 13 - активное волокно, 5 - зеркало резонатора; 6 - оптический клей, 8 - отражатель, 9 - стеклянный цилиидр, 10, 12 - радиаторы; 11, 14 - линейки СИД

Ламповая накачка позволяет реализовать высокие коэффициенты усиления за один проход, однако требует применения систем жидкостного принудительного охлаждения и громоздких блоков питания, что, по-видимому, делает малореальным создание малогабаритных устройств. Определенные перспективы в этом смысле могут заключаться в применении газоразрядных микроламп . К достоинствам конструкций с ламповой накачкой следует отнести возможность использования их в качестве оптических усилителей бегущей волны и регенеративных усилителей с достаточно высоким (~30-40 дБ) усилением.

В конструкциях волоконных лазеров второй группы используются короткие отрезки монокристаллических и стеклянных волокон, активированных ионами неодима. Накачка производится через торец волокна полупроводниковым лазером или СИД. Достаточно высокая эффективность накачки достигается в результате согласования спектра излучения полупроводникового излучателя на ДГС GaAlAs с одной из интенсивных линий поглощения неодима с центральной длиной волны около

0,81 мкм. Схематически конструкция волоконных лазеров второй группы изображена на рис. 4.12, а. Вследствие малого коэффициента усиления активной среды резонатор лазера образуется

диэлектрическими зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Такую конструкцию имеют лазеры на монокристаллическом волокне из алюмоиттриевого граната с неодимом стеклянных кварцевых волокнах с неодимом . Имеются сообщения о генерации с торцовой накачкой криптоновым лазером в кристаллическом волокне и с накачкой аргоновым лазером в волокне из рубина Лучшие результаты были получены при использовании кристалла имеющего волоконную геометрию, длиной 0,5 см и диаметром 80 мкм. Внешний резонатор (рис. 4.12, а) был образован зеркалами с диэлектрическим покрытием, одно из которых имело коэффициент отражения для лазерного излучения с мкм и всего лишь для излучения накачки, второе зеркало с таким же высоким коэффициентом отражения для лазерного излучения достаточно хорошо отражало свет накачки Зеркала были расположены практически вплотную к торцам волокна. Накачка осуществлялась поверхностным СИД на с диаметром излучающей площадки 85 мкм. Пороговая мощность накачки составляла

Основные достоинства волоконных лазеров такой конструкции - малые потребляемая мощность и габаритные размеры. Основные недостатки: торцовая схема накачки не позволяет использовать отрезки волокна с длиной более 1 см, что ограничивает выходную мощность. Кроме того, технология изготовления и юстировки этих лазеров сложна, а наличие СИД накачки у одного из торцов усложняет использование лазера в качестве усилителя оптических сигналов.

Многовитковые волоконные лазеры с поперечной накачкой линейками СИД (рис. представляют конструкции третьей группы . На линейку СИД укладывается несколько витков стеклянного волокна, сердцевина которого активирована ионами неодима. Конструкция в определенной мере сочетает достоинства волоконных лазеров первой и второй групп и лишена большей части их недостатков. Применение в качестве источников накачки полупроводниковых излучателей делает такие системы достаточно малогабаритными, использование поперечной схемы накачки и длинных отрезков волокна позволяет получить достаточно большое усиление за один проход. Ввиду малого диаметра волоконных световодов в схеме с поперечной накачкой эффективным является использование волокон из стекол с высокой концентрацией ионов неодима и соответственно с большим коэффициентом поглощения света накачки. Такими свойствами обладают волокна, выполненные из ультрафосфатов неодима . Многовитковая укладка волокна на линейки светодиодов может быть выполнена разными способами . Так, отрезок волокна многократно протягивается сквозь стеклянный цилиндр диаметром около 1 мм (рис. 4.12, б), на наружную поверхность которого нанесено отражающее покрытие для

увеличения эффективности использования излучения накачки. Этот способ предпочтителен для волокон с малым внешним диаметром ( мкм). Волокна большего диаметра могут быть уложены на линейку СИД виток к витку (рис. 4.12, в). Обе конструкции могут использоваться как оптические усилители бегущей волны, при этом один из концов световода является входом усилителя, второй - выходом. Нанесение зеркальных покрытий на торцы волокон позволяет осуществлять лазерную генерацию с волоконным резонатором Фабри - Перо.

Особенности лазерных процессов в активных волоконных световодах определяются наличием специфической лазерной генерации в отсутствие положительной обратной связи.

Рис. 4.13. Волоконный световод: а - с активной сердцевиной и пассивной обо» лочкой; б - с пассивной сердцевиной и активной оболочкой (2)

В этом состоит основное отличие волоконных лазеров от лазеров на объемных активных элементах. Чтобы пояснить сущность этого процесса, близкого к режиму суперлюминесценции в полупроводниковых СИД, рассмотрим некоторый элементарный участок световода, в котором создана инверсная населенность (рис. 4.13, а). Спонтанное излучение происходит равновероятно во всех направлениях, однако излучение, сосредоточенное в двух конусах углов, имеющих общую с волокном ось и определяемых углом раскрыва 20, не выходит из сердцевины. Здесь

где - соответственно показатели преломления сердцевины и оболочки Это излучение возбуждает собственные колебания (моды) световода, которые усиливаются посредством стимулированного излучения в процессе распространения по волокну вправо и влево (рис. 4.13, а). Та же картина наблюдается для любого другого элементарного участка активной сердцевины световода. На выходе такого волоконного источника света расходимость излучения приближенно определяется числовой апертурой волокна

До тех пор пока интенсивность световых волн, распространяющихся навстречу друг другу в активном световоде, значительно меньше величины, насыщающей усиление, встречные волны независимы, равно как независимы и энергии, переносимые различными модами световода. В этих условиях процесс усиления спонтанного излучения за счет вынужденного описывается хорошо известными уравнениями лазерного усилителя без насыщения и с учетом спонтанного излучения. Спектральная плотность мощности излучения в одной моде на выходе активного участка световода длиной (рис. 4.13, а) равна

Здесь - постоянная Планка; - частота световых колебаний; - населенности верхнего и нижнего лазерных уровней; - коэффициента усиления на единицу длины, где - коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода; - нормированная форма спектральной линии усиления; с - скорость света. Максимальная генерируемая мощность может ограничиваться либо длиной световода либо, как и в лазерах с резонаторами, насыщением. Естественно, что в процессе усиления происходит сужение спектра генерации по сравнению со спектром люминесценции за счет того, что спектральные компоненты в центре линии усиливаются больше. Ширина спектра определяется усилением и формой причем спектр излучения из-за отсутствия резонатора является сплошным.

Рассматриваемый специфический световодный лазерный процесс имеет три существенных аспекта .

1. Активный волоконный световод может использоваться как источник света без оптического резонатора.

2. При создании волоконных лазеров по традиционной схеме с резонатором необходимо учитывать, что рассмотренный процесс может привести к насыщению усиления за один проход, в результате чего обратная связь потеряет смысл. В этом случае значения и необходимо выбирать так, чтобы была далека от значения, насыщающего усиление.

3. В волоконных оптических усилителях генерация света в результате рассмотренного процесса является основным источником шума. Спектральная плотность мощности шума в одной моде, пересчитанная на вход усилителя, как следует из формулы (4.12), равна

В четырехуровневой системе, каковой является схема лазерных уровней неодима, обычно и при больших усилениях

В объемных усилителях шум усиленного спонтанного излучения издавна считается принципиально неустранимым (см., например, работу ), однако в волоконных усилителях возможно значительное снижение его уровня при использовании световода, изображенного на рис. 4.13, 6. Одномодовое волокно, сердцевина которого изготовлена из кварцевого стекла с добавкой, повышающей показатель преломления, например имеет оболочку из стекла, активированного ионами неодима. Создание инверсной населенисстн в оболочке приводит к усилению моды сердцевины с эффективным коэффициентом усиления

где - коэффициент усиления в оболочке; - часть мощности моды сердцевины, которая распространяется в оболочке; Р - общая мощность, переносимая этой модой. Соотношение меняется от 0,99 до 0,1 при изменении параметра волокна от 0,6 до 2,4048 . При сердцевина начинает эффективно направлять основную моду путем локализации ее поля вблизи себя, возбуждается вторая мода. Формула получена тем же способом, что и выражение для коэффициента затухания волокна с оболочкой, в которой происходят потери излучения уступают по своим качествам волоконным. Существенными недостатками первых являются температурная нестабильность линии усиления ( для мкм), значительные потери при стыковке одномодовых волоконных световодов с планарным световодом усилителя и высокий уровень мощности шума - излучения суперлюминесценцни.

Волоконные лазеры открывают возможности для создания новых типов ВОД. Чувствительный элемент, которым является волоконный световод, представляет собой здесь часть волоконного кольцевого или линейного резонатора лазера.

Рис. 4.14. Одночастотные волоконные лазеры с распределенной обратной связью (а) и брэгговскими зеркалами (б): 1 - активная сердцевина; 2 - оболочка с периодической структурой

Изменение фазы световых колебаний под действием внешних факторов приводит в лазерах к изменению частот генерации различных мод. Информация о внешних воздействиях содержится в изменении частоты межмодовых биений. На основе волоконного лазера с кольцевым резонатором, который реализуется сваркой концов световода или разъемным их соединением, достаточно просто создать малогабаритный лазерный волоконный гироскоп.

Стабильные одночастотные волоконные лазеры могут быть выполнены в виде конструкции с распределенной обратной связью или с распределенным брэгговским отражением. Для этого на определенных участках волокна одним из способов, которые будут описаны ниже (см. п. 4.8), создается волоконный отражающий спектральный фильтр (рис. 4.14). Такие источники могут использоваться в фазовых ВОД.

Использование суперлюминесцентных волоконных лазеров позволяет упростить конструкцию пассивных волоконных гироскопов и повысить их чувствительность за счет снижения уровня шумов, вызванных наличием объемных элементов. В кольцевых интерферометрах гироскопах уровень шумов снижается при уменьшении длины когерентности излучения источника и числа объемных элементов (см. п. 3.6). В волоконном источнике легко добиться, чтобы длина когерентности излучения была больше, чем разность хода встречных волн интерферометра, обусловленная вращением и невзаимными эффектами. Суперлюминесцентные волоконные лазеры имеют ширину спектра нм и достаточно высокую импульсную мощность Такой источник

соединяется с волоконным кольцевым интерферометром с помощью стандартных, ответвителей.