Физические свойства волоконных брэгговских решеток и устройств на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, доктор наук Бутов Олег Владиславович

• Бутов Олег Владиславович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Бутов Олег Владиславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВОЛОКОННЫЕ БРЭГГОВСКИЕ РЕШЕТКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

1.1 Волоконные брэгговские решетки и их свойства

1.2 Методы изготовления брэгговских решеток

1.3 Термическая стойкость брэгговских решеток

1.4 Радиационная стойкость световодов и брэгговских решеток

1.5 Влияние молекулярного водорода на динамику записи и свойства волоконных брэгговских решеток

1.6 Волоконные датчики изгибных деформаций

1.7 Брэгговские решетки с наклонными штрихами и сенсоры на их основе

1.8 Одночастотные волоконные лазеры

1.9 Волоконные лазеры с распределенной обратной связью

1.10 Выводы к главе

ГЛАВА 2. ВОЛОКОННЫЕ БРЭГГОВСКИЕ РЕШЕТКИ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ СВЕТОВОДОВ С АЗОТОСИЛИКАТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ И ИХ

СВОЙСТВА

2.1 Запись брэгговских решеток в слаболегированных волоконных световодах

2.2 Запись брэгговских решеток в волокнах с высоким легированием

2.3 Термическая устойчивость брэгговских решеток на основе волокна с азотосиликатной сердцевиной

2.4 Влияние водорода на параметры брэгговских решеток

2.5 Выводы к главе

ГЛАВА 3. ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КВАРЦЕВЫЙ СВЕТОВОД С АЗОТОСИЛИКАТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ И

РЕШЕТКИ НА ЕГО ОСНОВЕ

3.1 Радиационная стойкость двулучепреломляющего световода с азотосиликатной сердцевиной

3.2 Радиационная стойкость брэгговских решеток, записанных в волокнах с азотосиликатной сердцевиной

3.3 Радиационная стойкость брэгговских решеток в присутствии радиолитического водорода

3.4 Применение брэгговских решеток в схемах датчиков для контроля параметров работы атомного реактора

3.5 Датчик изгибных деформаций на основе брэгговских решеток

3.6 Выводы к главе

ГЛАВА 4. ВОЛОКОННЫЙ СЕНСОР НА ЭФФЕКТЕ ПОВЕРХНОСТНОГО

ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА

4.1 Метод изготовления плазмонных сенсоров на основе наклонных брэгговских решеток

4.2 Экспериментальные методы стабилизации работы плазмонного сенсора

4.3 Математический аппарат обработки спектра плазмонного сенсора

4.4 Разрешения сенсорной системы и температурная компенсация

4.5 Детектирование биологических молекул

4.6 Выводы к главе

ГЛАВА 5. ОДНОЧАСТОТНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ

5.1 Одночастотный иттербиевый волоконный лазер с распределенной обратной связью

5.2 Влияние водорода на люминесцентные свойства эрбиевых волокон

5.3 Эрбиевые волоконные лазеры с коротким резонатором

5.4 Режимы работы эрбиевых волоконных лазеров

5.5 Лазер на основе композитного волоконного световода

5.6 Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические свойства волоконных брэгговских решеток и устройств на их основе»

Актуальность темы

Начало эры волоконной оптики можно отнести к началу 70-х годов, когда был разработан первый кварцевый световод с низкими потерями. Впервые были достигнуты потери в световоде на уровне 20 дБ/км [1]. Именно тогда началось активное развитие оптической телекоммуникации. Вскоре потери были снижены до уровня 4 дБ/км, а впоследствии и до 0,2 дБ/км, что позволило начать создание протяженных линий связи. Дальнейшее развитие волоконной оптики совпало с активным развитием цифровых технологий передачи информации. Информационная емкость волоконно-оптической связи многократно превышала их электрические аналоги, что обеспечило быстрое развитие интернета, цифровой связи и телевидения.

В настоящее время волоконная оптика не ограничивается только лишь вопросами телекоммуникации. На основе волоконно-оптических технологий активно развивается и волоконная сенсорика, лазерная физика. Ощутимый толчок к развитию данных технологий дало открытие в 1978 году фоточувствительности волоконных световодов [2], т.е. возможности перманентно изменять показатель преломления легированного германием кварцевого стекла, составляющего основу сердцевины волоконных световодов под действием высокоэнергетического оптического излучения, что позволило формировать внутриволоконные периодические структуры, названные по аналоги с эффектом Брэгга-Вульфа брэгговскими. В дальнейшем было показано, что наиболее эффективно запись брэгговских структур происходит с помощью воздействия лазерного излучения ультрафиолетового диапазона, совпадающего с полосами поглощения примесных дефектов легированной сердцевины. Были разработаны методы формирования брэгговских решеток с помощью бокового облучения [3]. Для создания необходимой периодической структуры на сердцевине волоконного световода формировалась интерференционная картина в свете луча лазера ультрафиолетового диапазона с помощью специально разработанных схем интерферометров или с применением фазовых масок [4-7]. Преимущества такого метода были очевидны. Во-первых, формирование эффективной брэгговской структуры производилось на коротком участке волоконного световода, что позволяло создать компактный и эффективный брэгговский элемент. Во-вторых, такая технология позволяла записывать решетки с

различным периодом, просто изменяя угол сведения лучей интерферометра или применяя фазовую маску с другим периодом.

Было очевидно, что подобные брэгговские решетки могут найти широкое применение в качестве узкополосных оптических фильтров, используемых, например, при селекции оптических каналов, в качестве зеркал к волоконным лазерам, по аналогии с диэлектрическими зеркалами газовых и твердотельных лазеров, а также в качестве датчиков физических величин. Действительно, при внешнем воздействии на световод, таком как продольное механическое напряжение или нагрев, изменяются оптические свойства структуры, что приводит и изменению брэгговской длины волны отражения. Таким образом, создание волоконных брэгговских решеток положило основу новому большому направлению в прикладной науке. Исследование механизмов фоточувствительности, разработка методов формирования брэгговских структур с заданными свойствами, расширение областей применения брэгговских решеток и датчиков, на их основе составляет содержание работ множества научных групп по всему миру. В настоящее время датчики на основе брэгговских решеток активно используются в различных областях строительства, промышленности для контроля многих ключевых технологических параметров, состояния элементов конструкций и сложных инженерных сооружений, практически вытесняя собой электрические аналоги. Брэгговские решетки также являются ключевыми элементами современных волоконных лазеров.

Несмотря на активное развитие данного направления в науке и промышленности на протяжении последних трех десятков лет, остается множество актуальных вопросов, среди которых разработка и применение новых принципов в волоконной сенсорике, решение ключевых задач, ограничивающих использование брэгговских датчиков в сложных условиях эксплуатации, включая высокие температуры и работу в присутствии высокоинтенсивного ионизирующего излучения. Отдельного внимания заслуживают вопросы исследования лазерных сред и создания на их основе эффективных волоконных лазерных источников, включая одночастотные волоконные лазеры с распределенной обратной связью, имеющие сверхмалую спектральную ширину линии генерации.

Вопросы использования брэгговских датчиков в условиях высоких температур и повышенного фона ионизирующего излучения являются крайне актуальными для целого ряда отраслей, таких как аэрокосмическая отрасль, атомная энергетика, военная промышленность. Относительно низкая стойкость как самих волоконных световодов,

так и датчиков на их основе к воздействию вышеперечисленных факторов является существенным ограничивающим фактором для их использования. Так, например, до недавнего времени не существовало возможности проведения полноценной диагностики состояния атомного реактора внутри его активной зоны ввиду отсутствия датчиков, как оптических, так и электрических, с достаточно высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. Однако, именно брэгговские датчики являются крайне перспективными для обеспечения контрольных измерений и проведения комплексной диагностики объектов в условиях высокого уровня радиации. Повышение радиационной стойкости, создание термоустойчивых брэгговских структур является одной из основных задач дальнейшего развития волоконной сенсорики.

Другим, крайне перспективным, но, на данный момент, малоизученным направлением является развитие биосенсорики на основе волоконно-оптических технологий. Действительно, оптическое волокно является удобным, гибким инструментом доставки излучения и изображения, в том числе и для использования внутри живого организма. Очевидно, что и создание биосенсоров различного назначения, позволяющих проводить экспресс-диагностику и контроль проведения различного рода процедур является интересной и актуальной задачей. Так, на основе сенсоров, чувствительных к параметрам исследуемой внешней среды, ближайшего своего окружения, возможно создание высокоточных датчиков иммунного анализа. В основу таких датчиков могут быть положены брэгговские решетки с наклонными штрихами (или наклонные брэгговские решетки), обеспечивающие возбуждение оболочечных мод и возможность анализа их взаимодействия с внешней поверхностью сенсора. Отдельного внимания заслуживают волоконные датчики, работающие на эффекте поверхностного плазмонного резонанса. Обладая потенциально высоким разрешением, они могут войти в состав компактного и мобильного сенсорного комплекса. Особую актуальность данное направление может получить с развитием технологии «лаборатория на чипе», которая является основой перспективных систем экспресс-диагностики в медицине будущего. В литературе встречается большое количество работ, посвященных датчикам на основе наклонных брэгговских решеток, однако такие датчики до сих пор остаются в виде лабораторных макетов ввиду целого ряда нерешенных проблем. Среди них можно выделить две основные - контроль поляризации излучения, проходящего по датчику и корректная, однозначная

интерпретация показаний датчика и их изменений. Первая проблема связана с крайне высокой чувствительностью эффективности возбуждения поверхностных плазмонов к поляризации возбуждающего излучения. Даже незначительная нестабильность поляризации может приводить к искажениям спектра датчика и, как следствие, падению точности показаний. Вторая проблема связана со сложной структурой самого спектра пропускания датчика и, как следствие, сложностью его интерпретации. Поэтому, создание методов контроля и стабилизации поляризации проходящего по сенсору излучения, а также разработка математического аппарата, способного обеспечить однозначную интерпретацию данных с плазмонного сенсора на основе брэгговских решеток с наклонными штрихами, является наиболее важными и актуальными задачами в этой области.

Волоконные брэгговские решетки являются неотъемлемой частью большинства волоконных лазеров, формируя необходимую структуру резонатора. В классических схемах решетки выполняют роль зеркал в составе лазерного резонатора. Особый интерес вызывают одночастотные волоконные лазеры, которые находят широкое применение в телекоммуникации и волоконной сенсорике. Отдельным крайне перспективным направлением является разработка лазеров с распределенной обратной связью. В таких устройствах брэгговская решетка располагается вдоль всего резонатора, а для обеспечения условий генерации в структуре решетки формируется фазовый сдвиг. Именно благодаря особенностям структуры такой лазер, как правило, с коротким, длиной несколько сантиметров, резонатором, обеспечивает одночастотный режим генерации со сверхузкой спектральной полосой излучения. Изучение особенностей и механизмов генерации таких лазеров, оптимизация их структуры и состава сердцевины активного световода является крайне актуальными задачами современной волоконной оптики.

Как видно из вышесказанного, несмотря на значительную историю исследований, а также опыта использования волоконных брэгговских решеток и устройств на их основе, остается целый ряд нерешенных проблем, препятствующих дальнейшему развитию как волоконной лазерной техники, так и брэгговской волоконной сенсорики.

Цели и задачи

Целью данной работы является оценка возможностей и поиск способов решения проблем, ограничивающих развитие технологий брэгговской сенсорики и волоконной лазерной техники.

Для достижения вышеуказанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать динамику записи брэгговских решеток и влияние параметров записи на их свойства.

2. Исследовать термическую и радиационную стойкость датчиков на основе волоконных брэгговских решеток для создания сенсорных систем, способных работать в условиях повышенных температур и высокого радиационного фона.

3. Исследовать влияние молекулярного водорода на параметры брэгговских решеток, записанных в волокнах с различным легированием сердцевины.

4. Показать возможность создания датчика на основе брэгговских решеток, способного работать в сложных условиях эксплуатации, в том числе в активной зоне атомного реактора. Предложить решение важной отраслевой задачи контроля изгиба технологических каналов в графитовой кладке атомных реакторов типа РБМК-1000.

5. Предложить методы стабилизации поляризации излучения, проходящего по наклонной брэгговской решетке.

6. Оценить влияние температуры и предложить методику ее компенсации в схемах с использованием плазмонных датчиков на основе наклонных волоконных брэгговских решеток.

7. Разработать математический аппарат автоматической интерпретации показаний плазмонного сенсора на основе наклонных брэгговских решеток.

8. Продемонстрировать возможность создания волоконных лазеров с коротким (менее 30 мм) резонатором на основе высоколегированных редкоземельными элементами волоконных световодов.

9. Выявить и объяснить механизмы формирования импульсного режима работы эрбиевых волоконных лазеров.

Научная новизна

1. В рамках данной диссертационной работы впервые продемонстрирована возможность записи брэгговских решеток в волоконных световодах с низким уровнем легирования сердцевины азотом (0,5 ат. % К). Выявлен двухступенчатый механизм записи брэгговских решеток в данном типе волоконного световода.

2. Показана зависимость динамики формирования и последующего термического распада брэгговских решеток, записанных в световоде с сердцевиной, легированной азотом от режимов их записи.

3. Проведено детальное исследование стойкости волоконных световодов с сердцевиной легированной азотом и брэгговских решеток на их основе к воздействию ионизирующего излучения, в том числе, в условиях реакторного облучения.

4. Получены и проанализированы новые данные по взаимодействию водорода с фотоиндуцированной структурой брэгговских решеток, записанных в кварцевых световодах с азотосиликатной и германосиликатной сердцевиной.

5. Впервые предложен полностью волоконный высокочувствительный датчик изгиба на основе брэгговских сенсорных элементов, способный работать в активной зоне атомного реактора. Разработка получила практическую реализацию в виде датчика изгиба технологических каналов в графитовой кладке реактора РБМК-1000, благодаря чему была решена важная отраслевая задача.

6. Впервые предложена схема построения плазмонного волоконного датчика повышенной стабильности на основе наклонной брэгговской решетки с применением волокон с сохранением поляризации.

7. Предложен и реализован универсальный математический аппарат автоматической обработки спектра пропускания плазмонного волоконного датчика на основе наклонной брэгговской решетки, что позволило достичь разрешения сенсора по показателю преломления до величины 3*10-6.

8. На основе высоколегированных редкоземельными элементами волоконных световодов изготовлены волоконные лазеры с распределенной обратной связью со сверхмалой длиной резонатора (12-24 мм).

9. Впервые продемонстрирована температурная зависимость режимов работы эрбиевого волоконного лазера. Предложена новая теоретическая модель, возникновения импульсного режима генерации в эрбиевых волоконных лазерах, основанная на эффекте обратного насыщающегося поглощения.

Теоретическая и практическая значимость работы

На основе полученных данных по исследованию радиационной и термической стойкости волоконных световодов и внутриволоконных брэгговских структур может быть создан целый спектр устройств, в первую очередь волоконных сенсоров различного назначения, способных работать в сложных условиях эксплуатации при значительном перепаде температур и повышенном фоне ионизирующего излучения. Такие сенсоры могут получить широкое развитие в космической и атомной промышленности.

Полученные результаты по стабилизации волоконных плазмонных сенсоров и созданный математический аппарат интерпретации данных позволил существенно, почти на порядок величины по сравнению с существующими мировыми аналогами, поднять разрешение сенсоров. Это открывает широкие перспективы по их использованию для задач иммунного анализа, медицинской диагностики, высокоточного химического анализа и для применения в качестве сенсоров физических параметров состояния окружающей среды.

Результаты работы в области волоконных лазеров проясняют механизм нестабильной работы эрбиевых волоконных лазеров с коротким резонатором. Полученные результаты в этой области позволят создавать высокостабильные, компактные одночастотные лазерные источники со сверхузкой линией генерации.

Методология и методы исследования

В работе использовался широкий комплекс экспериментальных методик, среди которых были методики записи волоконных брэгговских решеток как с помощью излучения эксимерного лазера ультрафиолетового диапазона, так и с применением фемтосекундного излучения видимой части спектра. Методы экспериментального исследования образцов основывались на анализе их оптических и временных

характеристик. Исследования проводились в различных условиях, в том числе с применением высокотемпературного нагрева, облучения ионизирующим излучением.

Эксперименты с плазмонными сенсорами были построены в основном на методах исследования их оптических характеристик при изменении химического состава окружающей среды, а также при контролируемых изменениях температуры.

Брэгговские структуры резонаторов для волоконных лазеров создавались с помощью модифицированных методик, применяемых для записи брэгговских решеток. Комплексно исследовались параметры работы лазеров в различных условиях окружающей среды. На основе полученных данных была создана теоретическая модель, описывающая новые наблюдаемые явления.

Положения, выносимые на защиту

1. Брэгговские решетки, записанные в световоде с сердцевиной, легированной азотом, обладают высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения.

2. Динамика формирования и термического распада брэгговских решеток, записанных в световоде с сердцевиной, легированной азотом, зависит от плотности энергии лазерного излучения в процессе их записи.

3. Присутствие молекулярного водорода в сетке кварцевого стекла волоконного световода с сердцевиной легированной азотом, приводит к уменьшению фоточувствительности и к распаду ранее записанных брэгговских решеток типа I.

4. На основе внутриволоконных брэгговских решеток возможно создание датчиков физических величин, в частности, датчиков изгиба, способных работать в активной зоне атомного реактора.

5. Волоконный световод с сохранением поляризации в схеме плазмонного волоконного датчика на основе наклонной брэгговской решетки в несколько раз повышает стабильность его работы.

6. Разработанный математический аппарат обработки спектра пропускания плазмонного волоконного датчика на основе наклонной брэгговской решетки позволяет повысить разрешение сенсора по показателю преломления до величины 3х10-6.

7. Оптимизация состава материала легирования кварцевой сердцевины активных волоконных световодов дает возможность создавать одночастотные волоконные лазеры со сверхмалой длиной резонатора (12-24 мм).

8. Эрбиевые волоконные лазеры могут переходить в режим импульсной генерации благодаря эффекту обратного насыщающегося поглощения.

9. Порог перехода от импульсного к непрерывному режиму генерации эрбиевых волоконных лазеров зависит как от температуры резонатора, так и от мощности накачки.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность представленных результатов обусловлена использованием широкого спектра известных экспериментальных методик, проведением сравнительного анализа с образцами, характеристики которых представлены в мировой литературе. Разработанный радиационно-стойкий датчик кривизны технологических каналов в графитовой кладке реактора прошел независимые поверочные испытания и признан официальным, зарегистрированным средством измерения, применяемым на атомных станциях для контроля состояния реакторов РБМК-1000.

Результаты работы докладывались на ведущих отечественных и международных конференциях, среди которых: OFC (Лос-Анжелес, США, 2004), XX ICG (Киото, Япония - 2004), OFS 17, 20, 23, 25, 26 (Брюгге, Бельгия - 2005; Эдинбург, Великобритания - 2009, Сантандер, Испания - 2014; Джеджу, Корея - 2017; Лазанна, Швейцария - 2018), ECOC 29, 31 (Римини, Италия - 2003; Глазго, Великобритания -2005), EWOFS 2007 (Наполи, Италия, 2007), ВКВО (Пермь - 2009; 2011; 2015; 2019), Российский семинар по волоконным лазерам (Новосибирск, 2016; 2018); PIERS (Санкт-Петербург, 2017; Рим, 2019), Innovative Concepts and Technologies for Biomedical Applications: Head & Neck (Москва - 2016), Advanced Photonics Congress (Цюрих, Швейцария - 2018),

Основные результаты работы представлены в 53 публикациях, в том числе в 22 статьях в отечественных и ведущих мировых рецензируемых журналах, а также в виде 1 патента.

Все результаты, определяющие научную новизну работы, получены лично автором или под его непосредственным руководством.

Структура, объем и краткое содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка условных обозначений и сокращений, списка литературы, а также списка иллюстративного материала. Полный объем диссертации составляет 292 страницы, включая 160 рисунков, 12 таблиц и список литературы, насчитывающий 454 наименования.

В первой главе дан обзор литературы по теме диссертации. Рассматриваются свойства брэгговских решеток, методы их изготовления и области применения. Приводится анализ существующих данных по термической и радиационной стойкости брэгговских решеток, радиационной стойкости современных волоконных световодов. Уделено внимание рассмотрению свойств волоконных световодов с сердцевиной, легированной азотом. Показано влияние молекулярного водорода как на динамику записи, так и на свойства волоконных брэгговских решеток. Рассмотрены схемы построения волоконных сенсоров изгибных деформаций. Отдельное внимание уделяется волоконным брэгговским решеткам с наклонными штрихами. Приводятся общие сведения об одночастотных волоконных лазерах, в частности, лазерах с распределенной обратной связью.

Во второй главе приводятся результаты исследований особенностей записи и термического распада брэгговских решеток в световодах с сердцевиной, легированной азотом. Рассматривается взаимодействие молекулярного водорода с брэгговскими решетками. Приводятся сравнения с образцами, записанными в световодах с германосиликатной сердцевиной.

Третья глава посвящена исследованиям радиационной стойкости брэгговских решеток. Рассматривается возможность использования брэгговских датчиков для работы в условиях активной зоны атомного реактора. Приводится новая конструкция радиационно-стойкого высокочувствительного датчика изгиба, который был использован для контроля изгибных деформаций технологических каналов атомного реактора РБМК-1000.

В четвертой главе исследуются волоконные сенсоры на основе брэгговских решеток с наклонными штрихами, работающие на эффекте поверхностного плазмонного резонанса. Рассмотрен новый метод нанесения равномерных слоев металла на боковую поверхность световода. Предложены методы стабилизации показаний сенсоров, разработан новый математический аппарат обработки спектров сенсора. Приводятся

экспериментальные данные исследования работы плазмонных сенсоров, показана возможность их использования в качестве сенсоров для медицинской диагностики.

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с работой волоконных лазеров на основе световодов, сердцевина которых легирована ионами эрбия или иттербия. Особое внимание уделено конструкциям одночастотных лазеров с коротким резонатором на основе высоколегированных волокон. Приводится описание экспериментально обнаруженного нового эффекта переключения между режимами импульсной и постоянной генерации при уменьшении температуры эрбиевого волоконного лазера. Приводится теоретическое обоснование наблюдаемого явления. Показано, что возникновение импульсной генерации в эрбиевых волоконных лазерах обусловлено эффектом, обратного насыщающегося поглощения.

В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ВОЛОКОННЫЕ БРЭГГОВСКИЕ РЕШЕТКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 1.1. Волоконные брэгговские решетки и их свойства

Волоконная брэгговская решетка (ВБР) представляет собой участок, как правило, одномодового волоконного световода, в сердцевине которого сформирована периодическая структура, представляющая собой модуляцию показателя преломления вдоль её оси. При этом характерный период модуляции для решетки первого, наиболее распространенного, порядка составляет половину рабочей длины волны света в веществе. Схематично структура брэгговской решетки представлена на рисунке 1.1.

1 - сердцевина волоконного световода, 2 - оболочка, Л - период брэгговской структуры.

Рисунок 1.1 - схематичное изображение структуры ВБР [6].

Особенностью такой структуры является способность отражать свет только в узком спектральном диапазоне. По сути, брэгговская структура в волоконном световоде представляет собой одномерный фотонный кристалл. Поэтому для нее справедлив закон Брэгга-Вульфа, согласно которому рассчитывается резонансная (брэгговская) длина волны отраженного света:

ЛБ = 2пЛ, (1.1)

где Л - период решетки, п - усредненный (эффективный) показатель преломления для распространяющейся по волокну моды, Хв - центральная длина волны отраженного светового потока, называемая брэгговской. Напомним, что в общем случае для трехмерных и двумерных структур в формулу (1.1) входит еще синус угла падения луча

на кристаллическую структуру, однако, в случае одномерного кристалла волоконной брэгговской решетки, данный параметр тождественно равен 1.

Важным параметром решетки, помимо брэгговской длины волны, являются коэффициент отражения R, который зависит как от величины модуляции показателя преломления Anmod, так и от количества штрихов брэгговской решетки, или ее длины L. Данная зависимость может быть представлена в виде формулы (1.2) [6, 8-10]:

R = tanh2 (лАптой rjL / Лв) = tanh2 (kbL) (1.2)

где n - так называемый, интеграл перекрытия, определяющий долю мощности основной моды волокна, распространяющейся по сердцевине, а кв - постоянная связи, иначе называемая силой решетки (Grating strength) и определяемая, соответственно, соотношением (1.3) [6, 11, 12]:

Кв =ЯкПтоАГ/ ЛВ

(1.3)

Также практически важным параметром является ширина решетки. В классической теории полная ширина решетки определяется спектральным расстоянием между первыми нулями коэффициента отражения [4, 6]:

АЛ - 2Лв

Nb \

1 +

'kL 2

V Л у

(1.4)

где NB=LIAB - количество штрихов решетки. Из формулы 1.3 можно оценить, что при относительно малой величине кв, т.е. при условии KBL<<n спектральная ширина на данной брэгговской длине волны зависит лишь от количества штрихов или от длины решетки. На практике используется другой распространенный параметр, измеряемый экспериментально и, очевидно, связанный с полной шириной решетки AX - полная ширина спектра на половинной амплитуде (FWHM - Full Width at Half Maximum). Типичной шириной спектра брэгговской решетки можно считать величину 0,1-0,4 нм.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Бутов Олег Владиславович, 2020 год

ИСТОЧ]

а) УФ 1 Гц

- не насыщенный Н2 насыщенный Н2

г 1

Выключение накачки

Выключение источника

б) УФ 10 Гц

Выключение накачки

Выключение источника

в) УФ 100 Гц

Выключение

Выключение источника

25

50

75

100

125 150 175 200 225 250

275

300 325 350 375

400

Время, с

Рисунок 5.12 - Влияние УФ-облучения на интенсивность усиленного сигнала при облучении на частотах 1 Гц (а), 10 Гц (б), 100 Гц (в).

В эксперименте измерялась временная зависимость сигнала на длине волны 1,55 мкм на выходе схемы, что было реализовано при помощи осциллографа, работающего в режиме непрерывного сканирования на «медленной» развёртке. Эксперимент состоял из 5 этапов. На первом этапе, в интервале времени 0 - 20 секунд, включалось сканирование при выключенном задающем лазере и лазере накачки. Далее, на 20 секунде включался задающий лазер на 1550 нм. На 40 секунде включался

источник накачки на 976 нм. Эти три этапа позволяли оценить общий уровень шумового сигнала, уровень проходящего не усиленного излучения и уровень начального усиления световода до УФ-облучения соответственно. На 60 секунде включалось облучение ультрафиолетом, которое продолжалось вплоть до 210 секунды. На данном этапе можно было наблюдать динамику фотоиндуцированных изменений в интенсивности сигнала на выходе. После выключения УФ-лазера еще на протяжении 130 секунд наблюдалась релаксация усиленного сигнала, по которой можно было определить характерную форму и типичное время релаксации. Далее, на 340 секунде с начала эксперимента выключался источник накачки. Таким образом, как и на втором шаге эксперимента (2040 секунд), измерялся уровень прошедшего не усиленного сигнала. Сравнивая эти данные с уровнем прошедшего сигнала до начала облучения можно было оценить уровень фотоиндуцированных пассивных потерь в световоде. На завершающем этапе, на 370 секунде эксперимента отключался задающий источник излучения на 1,55 мкм, что позволяло убедиться в отсутствии изменения шумового сигнала в ходе проведения эксперимента. Весь эксперимент длился 390 секунд. Каждый этап подписан на графиках на рисунке 5.12.

Как видно из графиков, приведенных на рисунке 5.12, УФ-облучение приводит к уменьшению величины усиленного сигнала, как в насыщенном, так и в ненасыщенном водородом волокне. При этом присутствие водорода в волокне качественно влияет на динамику этого уменьшения, что лучше всего демонстрирует рисунок 5.12а. Видно, что в первые секунды после начала УФ-облучения происходит резкое уменьшение величины сигнала, за которым следует выход на квазипостоянный уровень в течение ~20 с для ненасыщенного водородом волокна. В случае с волокном, насыщенным водородом, присутствует долговременная составляющая динамики уменьшения сигнала, что проявляется в падении интенсивности на выходе схемы на протяжении всего времени облучения. На рисунке 5.12б данная динамика также сохраняется, хотя проявляется уже не столь явно. В случае облучения при частоте в 100 Гц (рисунок 5.12в) различия в динамике между насыщенным и ненасыщенным водородом волокнами практически исчезают, сохраняется лишь разница в величине эффекта. Отличия между графиками а), б) и в) объясняется различием в частоте следования импульсов при УФ-облучении и соответственно разной скоростью набора дозы УФ-излучения в каждом из экспериментов. Так, в эксперименте, который демонстрирует рисунок 5.12а, скорость

набора дозы УФ-излучения оказывается в 100 раз меньше, чем в случае, приведенном на рисунке 5.12в. В процессе облучения ультрафиолетовым излучением образцов волокна, не насыщенных водородом, в них, вероятно, возникают дефекты, приводящие к тушению люминесценции ионов Ег3+. Отметим, что релаксация фотоиндуцированных центров в ненасыщенных водородом образцах выходит примерно на один уровень независимо от общей экспонированной дозы облучения, что свидетельствует о полном насыщении фотоиндуцированных процессов уже при малых дозах в данном типе образцов.

Для удобства сравнения на рисунках 5.13a, 5.13б данные с рисунка 5.12 организованы по группам для образцов насыщенных водородом (рисунок 5.13a) и образцов не насыщенных (рисунок 5.13б). Также, для лучшего понимания процессов, происходящих при облучении импульсным УФ-излучением и последующей релаксации после облучения, активного волокна, работающего в режиме усиления, на рисунке 5.13в показана динамика изменений величины усиленного сигнала под действием УФ-излучения импульсов частотой 1 Гц в большем масштабе. Измеряя уровень усиленного сигнала при помощи фотодиода, мы наблюдали также и люминесценцию под воздействием излучения на 976 нм. Чтобы отделить усиленный сигнал от сигнала люминесценции мы провели аналогичное измерение при помощи анализатора оптического спектра. Его результат представлен на рисунке 5.13 г. Величина усиленного сигнала определялась по величине пика на спектре усиленного излучения. Данное измерение было проведено в большем временном интервале (порядка 1 часа) при частоте повторения УФ-импульсов 20 Гц, а начиная с 500 секунды, 50 Гц.

Видно, что уровень сигнала, измеренный с помощью спектроанализатора, ведёт себя качественно также. Следует обратить внимание, что, судя по рисунку 5.12а, для видимого насыщения процесса образования дефектов, не ассоциированных с присутствием водорода даже при частоте 1Н требуется не более 100-150 с. При этом, судя по графику, приведенному на рисунке 5.13г, насыщение образования дефектов в присутствии водорода пронаблюдать не удалось даже за время облучения порядка 30 минут при частоте 50 Гц.

Как для образцов, не насыщенных, так и насыщенных молекулярным водородом на рисунках 5.12 и 5.13 при УФ-облучении мы наблюдаем два конкурирующих процесса. С одной стороны, наблюдается падение усиления, связанное с образованием

дефектов, с другой - релаксация этих дефектов. Начальный период процесса релаксации демонстрирует рисунок 5.13в. Видно, что в промежутки времени между импульсами, в течение одной секунды сигнал успевает частично восстановиться. С этим связана такая "зашумлённость" графиков в период времени, когда происходит облучение УФ. Этим же объясняется различный уровень усиления при облучении различной частотой следования импульсов. При большей частоте уровень сигнала усиления релаксировать не успевает, что и обуславливает более низкий средний уровень усиленного сигнала в процессе облучения. После прекращения УФ-экспонирования, усиление сигнала восстанавливается, хоть и не доходит до уровня, который был до УФ-облучения. Динамика данного восстановления хорошо видна по правой части графиков на рисунке 5.12, а также на рисунках 5.13а, 5.13б и 5.13г.

а) без Н,

0,25 л

0,24-

0,23-

и о 0,22-

§ 0,21 -

нЦ Е и 0,20-

0,19-

500 1000 1500 2000 2500 3000 Время, с

Рисунок 5.13 - Влияние УФ-облучения на интенсивность усиленного сигнала для не насыщенного и насыщенного водородом (б) образцов, кинетика воздействия отдельных УФ-импульсов на сигнал (в), а также аналогичное измерение, проведённое по схеме, приведенной на рисунке 5.10 со спектроанализатором (г).

Необходимо отметить, что для образцов, не содержащих молекулярный водород в своей структуре, восстановление сигнала после выключения УФ-излучения происходит до одного и того же уровня вне зависимости от частоты и, следовательно, общей экспонированной дозы УФ-облучения (рисунок 5.13а), тогда как у образцов, насыщенных водородом этот уровень тем ниже, чем большую экспонированную дозу УФ-излучения получил данный образец. Для удобства сравнения, отношение усиленных сигналов до и после УФ-облучения представлены в виде таблицы 5.1:

Таблица 5.1 - Отношение величин усиленных сигналов до и после УФ-облучения

Не насыщенный Н2 Насыщенный Н2

До обучения, отн.ед. После облучения, отн.ед. Отношение сигналов До/После До обучения, отн.ед. После облучения, отн.ед. Отношение сигналов До/После

1 ш 0,370 0,33 1,121 0,326 0,278 1,173

10 ш 0,382 0,338 1,130 0,325 0,251 1,295

100 ш 0,378 0,334 1,132 0,326 0,242 1,347

Следует отметить, что во всех образцах в ходе экспериментов наблюдается частичное восстановление усилительных свойств световода. Можно предположить, что описываемое восстановление величины усиленного сигнала происходит под воздействием излучения накачки на 976нм, не выключаемой в ходе проведения эксперимента. Для проверки данного предположения были поставлены эксперименты, результат которых показан на рисунках 5.14 и 5.15.

В первом эксперименте (рисунок 5.14) на 60 секунде задающий источник был отключен, таким образом, в ходе всего эксперимента, с 60 по 360 секунду, наблюдался исключительно сигнал люминесценции волокна, легированного эрбием, при возбуждении на 976 нм. Видно, что сигнал люминесценции ведёт себя качественно так же, как и усиленный сигнал. Второй эксперимент (рисунок 5.15) был проведён по схеме, аналогичной эксперименту, результаты которого приведены на рисунке 5.12, с тем лишь отличием, что на 210 секунде вместе с источником УФ-излучения был также отключен источник накачки. После этого источник накачки был включён на 230 секунде. Видно (рисунок 5.15), что в период времени с 210 по 230 секунду, когда наблюдался только проходящий сигнал источника на 1550 нм, его уровень отличался от уровня до облучения (20 - 40 с) не более чем на 10-15 %, тогда как сигнал усиления в ходе эксперимента падает более чем в два раза. Это означает, что относительно небольшой

уровень фотоиндуцированных потерь в световоде не может объяснить столь большой разницы в падении усиления световода и является лишь сопутствующим явлением. Интересно, что после включения накачки на 230 секунде наблюдается восстановление усиления, аналогичное показанному на рисунке 5.12в, как в отсутствие паузы в 20 секунд, что, очевидно, свидетельствует о существенной роли в восстановлении усиления излучения накачки на 976 нм. Данный механизм может быть обусловлено как эффектом фотоиндуцированного распада радиационно-наведенных дефектов под действием оптического излучения, так и быстрым распадом дефектов в связи с разогревом сердцевины волокна при прохождении излучения накачки [409]. Так, например, в работе [409] было показано, что УФ-наведённые дефекты в насыщенных водородом кварцевых оптических волокнах могут распадаться под воздействием нагрева до высоких (900 0С) температур, приводя к практически полному восстановлению усиления.

0,45 п 0,40 0,35 . 0,30

О)

О 0,25

о

0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

Включение Выключение накачки источника

Включение УФ

и/мгмт

УФ 10 Гц

- не насыщенный Н2 насыщенный Н2

Включение источника

Включение источника ь^л

1&»1ключение„„ УФ

Выключение накачки

Выключение источника

гЛ'!1', с

25

50

75

100

125

150

175

200

225 250

275

300

325 350

375

400

Время, с

Рисунок 5.14 - Влияние УФ-облучения на интенсивность усиленного сигнала.

0,45 п 0,40 0,35 . 0,30

ч

о 0,25

| 0.20

Й 0,15

и

0,10 0,05 0,00

Включение Включение УФ

Включение

шиит

УФ 100 Гц

-не насыщенный Н2

— насыщенный Н2 Выключение

Выключение УФ

Выключение накачки

шшушы

Включение

Выключение источника

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

Время, с

Рисунок 5.15 - Влияние УФ-облучения на интенсивность усиленного сигнала при одновременном отключении источника УФ-излучения и накачки.

Чтобы исключить влияние повышенной температуры на эффект восстановления усиления мы поместили насыщенный Н2 и УФ-облучённый образец в воду комнатной температуры и исследовали изменение усиленного в нём сигнала с течением времени под воздействием излучения накачки. Результат этого эксперимента показан на рисунке 5.16. Видно, что восстановление усиления идёт на протяжении всего эксперимента, при том, что, как было показано в нашей работе [410], образец, помещённый в воду, разогревается не более чем на 10 ^ при данной мощности излучения накачки. Следует отметить, что процесс восстановления усиленного сигнала под воздействием излучения накачки в волокне, не насыщенном водородом, в течение длительного промежутка времени можно проследить по данным, приведенным на рисунке 5.13г, и этот процесс качественно совпадает с аналогичным процессом для образца, насыщенного молекулярным водородом.

-27,5

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Время, с

Рисунок 5.16 - Изменение величины усиленного сигнала в образце световода, насыщенном водородом и после УФ-облучения, помещённом в воду комнатной температуры, под действием излучения накачки.

Таким образом, было установлено, что основным механизмом восстановления усиления образцов является эффект фотоиндуцированного распада УФ-наведённых дефектов под воздействием излучения на 976 нм. Судя по данным таблицы 5.1, под действием накачки распадаются преимущественно дефекты, не ассоциированные с

присутствием водорода, которые есть как в образцах с водородом, так и без него. Дефекты второго типа присутствуют только в образцах, насыщенных водородом, которые практически не релаксируют после снятия воздействия УФ-облучения на образец даже при последующем воздействии излучения накачки.

Согласно работе [411], в сетке алюмосиликатного стекла при воздействии излучения с длиной волны 193 нм и энергией кванта 6,4 эВ происходит наведение центров немостикового атома кислорода (oxygen-hole centers, OHC), химически связанного с атомами алюминия либо кремния (Al-OHC [412] и Si-OHC [413]). Этим центрам, как известно, соответствуют в видимой части спектра широкие полосы поглощения с максимумами в районе 2,3 эВ (Al-OHC) и 1,9 эВ (Si-OHC), край которых перекрывается с излучением накачки на длине волны 976 нм. Поскольку в сетке легированного эрбием алюмосиликатного стекла атомы алюминия находятся преимущественно рядом с ионами эрбия [414, 415], то естественно предположить, что подавляющее большинство фотоиндуцированных центров Al-OHC также будут располагаться вблизи ионов эрбия. Таким образом, при возбуждении ионов эрбия излучением накачки становится весьма вероятным процесс диссипации энергии возбуждения, описанный ранее в [416], в данном случае - безызлучательный перенос энергии происходит в результате диполь-дипольного взаимодействия на ближайший алюминиевый или кремниевый кислородно-дырочный центр.

Несколько иной механизм формирования дефектов в сетке стекла сердцевины световода имеет место в случае предварительного насыщения световода молекулярным водородом. Согласно [417], в насыщенных водородом образцах алюмосиликатных световодов при воздействии квантов УФ-излучения с длиной волны 193 нм происходит преимущественно наведение гидроксильных центров Al-O-H, а не кислородно-дырочных: атомарный водород вступает в химическую реакцию с немостиковым атомом кислорода и образует гидроксильную связь. Гидроксильные центры, также как и кислородно-дырочные, формируются в основном вблизи ионов эрбия и также могут быть причиной деактивации возбуждённых ионов в результате диполь-дипольного взаимодействия [418, 419].

Таким образом, влиянием диссипации энергии возбуждения ионов эрбия на близлежащие фотоиндуцированные дефекты, можно объяснить резкое ухудшение усилительных характеристик световода, наблюдаемое на рисунке 5.12. После

прекращения УФ-облучения часть наведённых в сетке стекла дефектов начинает разрушаться и этому процессу, по-видимому, способствует непрерывное воздействие квантов излучения накачки с энергией 1,27 эВ. Особенно эффективно кванты излучения накачки инициируют процесс фотообесцвечивания кислородно-дырочных центров, поскольку длина волны 976 нм попадает в край полос поглощения этих центров. Напротив, гидроксильные центры в сетке стекла являются гораздо более устойчивыми комплексами и поэтому постепенное восстановление усилительных характеристик в насыщенных водородом эрбиевых световодах после прекращения УФ-облучения не так заметно, как в ненасыщенных.

Тем не менее, падение усиления не является критичным и брэгговские решетки для формирования структуры лазерного резонатора могут быть записаны непосредственно в активном световоде [420-423].

5.3. Эрбиевые волоконные лазеры с коротким резонатором

Эрбиевые волоконные лазеры представляют особый интерес, поскольку спектральный диапазон их работы совпадает с наиболее распространенным телекоммуникационным оптическим диапазоном, т.е. лежит в районе 1,55 мкм. Одночастотные лазеры с коротким резонатором, как было отмечено в главе 1, могут не только служить основой работы волоконных сенсоров, но и широко использоваться в телекоммуникации. Однако, в отличие от своих иттербиевых аналогов, уровень поглощения накачки при максимально достижимой концентрации ионов эрбия в световоде сравнительно мал. Солегирование ионами иттербия частично решает данную проблему, но вызывает дополнительные сложности при стабилизации работы таких лазеров. С другой стороны, ионы эрбия в стекле имеют линии поглощения, пригодные для накачки лазера не только в районе 0,98 мкм, но и сопоставимые по величине поглощения в области 1,48 мкм (рисунок 5.9а).

Для создания резонаторов лазера был использован волоконный световод, описанный в разделе 5.2. Важно отметить, что стекло сердцевины не содержало ионов иттербия. Диаметр сердцевины световода составил 6 мкм при разнице показателей преломления стекол сердцевины и оболочки 0,015 (рисунок 5.8). Напомним, что уровень

поглощения на характерных для эрбия длинах волн 976, 1490 и 1530 нм составил 80, 90 и 180 дБ/м соответственно (рисунок 5.9).

Методика и схема записи брэгговской решётки с фазовым сдвигом в эрбиевом световоде были аналогичны тем, которые использовались при изготовлении резонатора иттербиевого РОС-лазера. Однако сердцевина световода не была солегирована германием для повышения фоточувствительности, поскольку присутствие германия в легированном эрбием стекле может негативно влиять на его усилительные свойства [257]. Для получения необходимой фоточувствительности перед облучением отрезок эрбиевого световода выдерживался в атмосфере водорода при температуре 70 °C и давлении 150 атм. в течение 48 часов. Лазерную генерацию удалось наблюдать на участке волоконного световода со сформированной в нем брэгговской решёткой с фазовым сдвигом, общей длиной 24 мм. Для записи решетки использовалась фазовая маска с периодом 1075нм. Положение точки «п-сдвига» было выбрано таким же, как при изготовлении иттербиевого РОС-лазера. Общий уровень отражения составлял 99.6 % на брэгговской дине волны, равной 1561 нм.

Были протестированы режимы работы РОС-лазера с использованием двух различных источников накачки: на длине волны 976 нм (диодный лазер Gooch&Housego модели 0500-0976-SM) и на длине волны 1490 нм (диодный лазер Alcatel моделиA1948FBG). Тесты проводились по схеме, представленной на рисунке 5.3. Генерация лазера наблюдалась на длине волны 1561 нм. Зависимость выходной мощности лазера от мощности введённого в световод излучения накачки на длинах волн 976 и 1490 нм представлены на рисунках 5.17 и 5.18 соответственно.

Как видно из рисунков, пороги генерации лазера соответствуют мощностям накачки 20 мВт и 13 мВт при использовании источников с длинами волн 976 нм и 1490 нм соответственно. Эффективности лазеров по отношению к введенной мощности накачки составили 0,7% и 1,1% соответственно. Относительно невысокий уровень эффективности генерации обусловлен во многом малой долей поглощенной накачки на участке короткого резонатора.

Мощность накачки, Рисунок 5.17 - Зависимости выходной мощности эрбиевого РОС-лазера при накачке на

длине волны 976 нм.

Мощность накачки, Рисунок 5.18 - Зависимости выходной мощности эрбиевого РОС-лазера при накачке на

длине волны 1490 нм.

5.4. Режимы работы эрбиевых волоконных лазеров

Режимы работы лазера на основе высоколегированного эрбием волокна имеют свои особенности. Особый практический и научный интерес представляет импульсный режим работы эрбиевых волоконных лазеров. В работах [424-426] было показано, что

-с 3+

пульсации возникают из-за наличия в системе пар ионов Er , и предложена динамическая модель лазера, описывающая импульсный и стационарный режимы при наличии в системе ионных пар.

Для более подробного исследования данного явления, на основе описанного выше световода было изготовлено два эрбиевых волоконных лазера с резонаторами длиной 50 мм каждый - лазер с распределенной обратной связью (на рисунках обозначен как «DFB») и лазер, собранный по классической схеме Фабри-Перо с двумя зеркалами по краям резонатора («FP-EDFL» - Fabry-Perot Erbium Doped Fiber Laser). Волоконный POC-лазер также как и предыдущие были изготовлен со смещенным на 10% фазовым сдвигом в своей структуре. Как отмечалось ранее, такой сдвиг является оптимальным для получения однонаправленной генерации DFB лазера в одномодовом режиме с максимальной мощностью [272, 391, 392]. Общий измеренный уровень падения пропускания на решетке составил примерно 21 дБ. Для FP-EDFL лазера изготовлены две брэгговские решетки длиной 5 и 8 мм (рисунок 5.19). Коэффициент отражения этих зеркал составил 0,55 и 0,95, соответственно. Первое из них играло роль выходного зеркала. Идентичные по длине лазеры позволяют провести сравнение работы двух различных схем построения резонатора.

DFB

¡л-сдвиг

■ I

22 мм ; 28 мм ' . 50 мм

i FP-EDFL I

-ft-м—

5 мм 8 мм

Рисунок 5.19 - Схема исследуемых эрбиевых волоконных лазеров.

Режимы генерации исследуемых лазеров были изучены в условиях непрерывной накачки диодным полупроводниковым лазером Gooch&House с максимумом генерации на длине волны 976 нм и экспериментально измеренной максимальной выходной мощностью излучения в волокне 620 мВт. Для измерения спектральных и временных характеристик излучения исследуемых волоконных лазеров были использованы экспериментальные схемы, представленные на рисунке 5.20. Для стабилизации температурного режима генерации резонаторы лазеров были установлены в кювету с водой или жидким азотом.

а.

б.

а - эрбиевый РОС-лазер (DFB), б - классическая лазерная схема (FP-EDFL) Рисунок 5.20 - Схема экспериментальных установок для исследования.

Особенности генерации DFB лазера были изучены при различных схемах накачки с разной ориентацией фазового сдвига (n-shift) относительно направления накачки и генерации, а также с использованием дополнительного зеркала в виде волоконной брэгговской решетки (На рисунке обозначена как «FBG» - Fiber Bragg Grating) с брэгговской длиной волны 976 нм, которая возвращает непоглощенную часть излучения накачки обратно в резонатор, увеличивая, таким образом, эффективность ее поглощения коротким резонатором лазера (рисунок 5.20а). Кроме того, схема с использованием такого зеркала позволяет более равномерно распределить энергию накачки по длине лазерного резонатора, что особенно важно в случае DFB-лазера, поскольку обеспечивает

более равномерный нагрев решетки резонатора. Схожая схема с использованием отражающей брэгговской решетки на длине волны накачки была применена и в случае лазера, собранного по классической схеме (FP-EDFL) (рисунок 5.20б). На выходе каждой из схем был установлен волоконный разветвитель 50/50 для возможности одновременного сканирования спектра и временной зависимости интенсивности генерации лазера. Спектральный анализ осуществлялся с помощью анализатора оптического спектра Agilent 86140B с разрешением 0,06 нм. Для наблюдения временной зависимости использовался осциллограф Tektronix DPO 4102B с полосой пропускания до 1 ГГц.

Длина волны генерации обоих лазеров определялась периодом брэгговских решеток и составляла примерно 1561 нм. Оба лазера при комнатной температуре работали в режиме импульсной генерации. Длительность и частота следования импульсов, а также их интенсивность зависели от схемы реализации и мощности накачки. Максимальная частота 730 кГц и пиковая мощность до 0,7 W наблюдались при максимальной мощности накачки в 620 мВт при использовании дополнительной брэгговской решетки, отражающей непоглощенную энергию накачки обратно в резонатор.

При варьировании мощности накачки длительность импульса сокращалась с 2-3 мкс, наблюдаемых на пороге генерации, до 69-71 нс при максимальной мощности накачки. Зависимость выходной пиковой мощности, частоты следования импульсов и их длительности от мощности накачки приведены на рисунках 5.21, 5.22 и 5.23 соответственно. Как видно из графиков, оба лазера - как DFB, так и классический FP-EDFL - демонстрировали довольно схожее поведение. Более низкая пиковая мощность при установленном в обратном направлении резонаторе DFB лазера полностью соответствует представлениям, известным из работы [57], и связана со смещенным от центра резонатора положением фазового сдвига брэгговской решетки.

Следует отметить, что, в целом, лазер, собранный по классической схеме, продемонстрировал несколько лучшую стабильность параметров генерации, чем DFB, что также проявлялось и в более низком пороге генерации. Относительно высокий уровень поглощения световода провоцирует значительный, и при этом неравномерный нагрев резонатора. Этот эффект можно наблюдать даже при помещении световода в воду, когда с ростом мощности накачки наблюдается рост длины волны генерации,

связанный с нагревом области сердцевины брэгговской решетки (рисунок 5.24). В случае DFB лазера из-за неравномерности поглощаемой мощности вдоль резонатора наблюдается наведенный температурный чирп длинной брэгговской решетки DFB лазера, что негативно сказывается на параметрах его генерации. Кроме того, УФ-облучение по всей длине активного волокна при записи решетки резонатора в присутствии молекулярного водорода, как было показано в разделе 5.2, также оказывает негативное влияние на параметры генерации. Как следствие, повышается порог возникновения генерации, ухудшается воспроизводимость параметров генерации импульсов.

Рисунок 5.21 - Зависимость выходной пиковой мощности от мощности накачки.

Рисунок 5.22 - Зависимость частоты следования импульсов от мощности накачки.

О 100 200 300 400 500 600 Мощность накачки, мВт

Рисунок 5.23 - Зависимость длительности импульсов от мощности накачки.

Рисунок 5.24 - Зависимость длины волны генерации от мощности накачки DFB-лазера,

помещенного в кювету с водой.

На рисунке 5.25 приведены осциллограммы работы лазера при различных мощностях накачки. Как было отмечено ранее, импульсный режим генерации является типичным для волоконных лазеров, где в качестве активатора используются ионы эрбия, особенно в высокой концентрации [427, 428]. Объяснение этому дано в работах [424-

426], где предложена модель, описывающая возникновение импульсного режима. Причиной появления импульсов является появление при высоких концентрациях эрбия ионных пар, дающих эффект поглощения, зависящий от населенностей уровней в ионной паре. В работах [424-426] этот эффект интерпретирован как насыщающееся поглощение. В классических лазерных схемах насыщающийся поглотитель (пассивный затвор), как известно, приводит к режиму пассивной модуляции добротности и импульсной генерации [429, 430]. На наш взгляд, в эрбиевых лазерах пассивная модуляция добротности реализована за счет эффекта, обратного насыщающегося поглощения. А именно, поглощение растет, а не насыщается, при возрастании интенсивности поля [410, 431, 432]. Чтобы это показать, рассмотрим систему более детально.

Для экспериментальных кривых 0,04 и 0,09 мВт интенсивность генерации показана с 1000-кратным и 20-кратным увеличением, соответственно. Рисунок 5.25 - Мощность генерации ББВ-лазера в зависимости от времени при

различных уровнях накачки.

Схема энергетических уровней Бг3+ в кварцевом стекле показана на рисунке 5.26. На левой части рисунка показана схема переходов иона Бг3+ в процессе лазерной генерации. На правой части рисунка показана ап-конверсия, возникающая в ионной паре. Прямыми и изогнутыми стрелками показаны процессы излучения и

безызлучательной релаксации, соответственно. Штриховыми стрелками показан процесс безызлучательной передачи возбуждения между ионами в паре. Основной

лазерный переход, отвечающий за генерацию на длине волны около 1,5 мкм, есть I

13/2

Т15/2. Накачка осуществляется на длине волны 976-980 нм, что соответствует

4т

переходу

4!11/2. Возбужденный электрон с уровня 4!11/2 безызлучательно

4

релаксирует на уровень !13/2, на котором создается инверсия населенностей по отношению к уровню 4115/2, необходимая для лазерной генерации.

Как было отмечено выше, эффект импульсной генерации в эрбиевых лазерах связывают с образованием ионных пар эрбия [424, 433] (миникластеров), что приводит к появлению таких эффектов, как ап-конверсия. Ап-конверсионный процесс возникает, когда оба иона эрбия в паре попадают в первое возбужденное состояние 4!13/2. Один из ионов переходит в основное состояние, 4113/2^4115/2, с безызлучательной передачей энергии второму иону, 4113/2^%/2. Возможность такого перехода обусловлена близостью

44

суммарной энергии двух ионов в состоянии !13/2 с энергией на уровне !9/2 (рисунок 5.26). Возбужденный таким образом ион безызлучательно релаксирует обратно на уровень 4!13/2. В соответствии с работами [424, 434], скорость ап-конверсионного процесса достаточно высока - на 3 порядка выше, чем скорость излучательного

44

процесса 115/2-

На левой части рисунка показана схема переходов иона Ег3+ в процессе лазерной генерации. На правой части рисунка показана ап-конверсия, возникающая в ионной

паре.

Рисунок 5.26 - Структура энергетических уровней одиночного иона Ег3+ в кварцевом

стекле.

—»

—»

Роль ап-конверсионных процессов сводится к возникновению потерь, резко возрастающих при переходе ионных пар в состояние 122). Даже малая населенность

состояния |22) приводит к возникновению больших потерь, которые возвращают

систему в состояние |12) за время порядка единиц микросекунд, тогда как время

излучательной релаксации |12) ^ |11) примерно такое же, как у одиночного иона -

порядка 10 мс. Это значит, что мы имеем дело не с насыщающимся поглощением, а, наоборот, с резким ростом поглощения при увеличении интенсивности поля до значений, существенно повышающих вероятность возбуждения пары ионов. Механизм появления колебаний в такой системе ясен из рисунка 5.27. Во-первых, отметим, что почти все ионные пары находятся в состояниях |11) и |12). Лишь малая часть

возбуждается в состояние |22), но именно эти ионные пары обеспечивают основное

поглощение. Когда количество ионов в состоянии |22) меньше определенного значения,

в системе начинается генерация. Величина поля растет с характерным временем от единиц до сотен наносекунд. Это малое время возникает из времени жизни фотона в резонаторе, которое равно тг =Ы\с(}-г1 -г2)]~0,3нс для БР-ЕБРЬ лазера. Возникает

лазерный импульс. При появлении генерации количество ионных пар в состоянии |22)

резко возрастает, что увеличивает потери и прекращает генерацию в системе. В отсутствие поля населенность уровня |22) падает за счет процессов ап-конверсии со

временем порядка единиц микросекунд. Далее процесс повторяется. Таким образом, ионные пары существенно снижают эффективность накачки лазерной системы, способствуя ускоренной депопуляции возбужденного уровня эрбия, что, в свою очередь приводит к падению эффективности и повышению порога лазерной генерации.

Интересно, что частота следования импульсов лежит в области частот, соответствующих релаксационным колебаниям [435-439], связанных с шумом спонтанного излучения, максимум которого приходится именно на диапазон от 105 до 106 Гц [439]. Это совпадение не случайно, потому что с ростом интенсивности накачки лазер переходит в режим постоянной генерации [424, 427, 433]. Этот переход осуществляется в результате увеличения частоты следования импульсов, которые сливаются в единую осциллирующую кривую. Когда это происходит, импульсы

превращаются в релаксационные колебания, которые гаснут со временем с переходом системы к стационарной генерации.

Time (ps)

Пульсации интенсивности генерации (красная кривая) и населенностей различных состояний ионных пар: |11) (оба иона в основном состоянии), |12) (один из ионов в

возбужденном состоянии), |22) (оба иона в возбужденном состоянии). Рисунок 5.27 - Механизм возникновения импульсного режима генерации.

Можно предположить, что изменение внешних условий, таких так температура окружающей среды, без изменения мощности накачки может влиять на режим генерации лазера. Мы исследовали поведение эрбиевых лазеров при понижении температуры, поместив резонаторы лазеров в жидкий азот при температуре 77 К. Лазеры обоих типов при температуре жидкого азота перешли в режим стабильной постоянной генерации. На рисунке 5.28 представлена зависимость средней выходной мощности лазера от мощности накачки, а также осциллограммы сигналов, измеренных при разных мощностях накачки для лазера, собранного по классической схеме FP-EDFL.

Ранее уже рассматривалось влияние температуры на работу эрбиевого лазера в другом режиме работы - при когерентной накачке. В работах [433, 440] было теоретически показано, что населенность штарковских подуровней определяется распределением Больцмана и, соответственно, зависит от температурного режима

лазера. Согласно расчетам, с повышением температуры импульсный режим работы лазера должен переходить в режим постоянной генерации. Таким образом, закономерность была обратна наблюдаемой в нашем случае. Но в работе [433] не учитывалось возможное изменение вероятности переходов в возбужденном состоянии при изменении температуры, которое, как мы полагаем, является решающим для рассматриваемой здесь системы с некогерентной накачкой.

Рисунок 5.28 - Режим работы лазера при температуре 77 К.

Поэтому мы построили модель, объясняющую наблюдаемое нами явление. Важно отметить, что частоты переходов |2) ^ |1) и |3) 2) хотя и близки, все же не совпадают.

Используя данные о длинах волн переходов |2) ^ |1) и |3) ^ |1), ^=1550 нм и А^=810 нм [441], вычисляем интересующее нас несоответствие частот:

w = 2же (2/1/~1014 8-1

(5.2)

Возможность процесса ап-конверсии, несмотря на несоответствие частот, обусловлена конечным временем релаксации. Ширина линии, как известно [442], определяется временем когерентности T2, называемым также временем поперечной релаксации. Для

13 15

большинства оптических переходов это время составляет 10 -10-15 с при комнатной температуре, что как раз соответствует обратной величине Se. Время когерентности обусловлено взаимодействием с фононами и сильно зависит от температуры. Времена

-С 3+

когерентности различных переходов в Er и их зависимость от температуры изучались и измерялись во множестве работ, однако нам не удалось найти интересующее нас время когерентности для процесса ап-конверсии в ионной паре. Поэтому для оценки мы используем данные из работы [443], где измерялось время когерентности для перехода |2) ^ для одиночного иона Er3+. При комнатной температуре (путем экстраполяции температурной зависимости) оно получилось примерно равным г2 ~3 хЮ~13 с, тогда как при температуре 77 К это время увеличивается почти на порядок, г2 ~3 х10~12 с.

Возрастание времени T2 при охлаждении материала лазера приводит к сужению линии до значений меньших величины нестыковки частот w, что ведет к резкому убыванию вероятности возникновения ап-конверсионных процессов у22. По оценке, которая была дана в нашей работе [410] снижение температуры с 300 K до 77 K снижает вероятность у22 примерно в 10 раз. Как следствие, лазер переходит из режима импульсной в режим постоянной генерации.

Изменение режимов генерации иллюстрируется диаграммой (рисунок 5.29), которая показывает, что уменьшение скорости ап-конверсии в несколько раз по сравнению с «комнатными» значениями практически всегда переведет лазер из импульсного режима в режим постоянной генерации. Это объясняет наблюдаемый эффект исчезновения импульсной генерации при низкой температуре [410, 444]. Кроме того, увеличение мощности накачки Л по отношению к пороговой мощности накачки Ath также способствует переходу в режим постоянной генерации (рисунок 5.29).

По результатам расчетов мы видим, что лазер реагирует и на меньшие отклонения температуры. Поэтому он является управляемым внешними воздействиями источником колебаний. Достижение большей степени легирования, уменьшение уровня кластеризации, а также уменьшение размеров резонатора позволит находить новые применения для таких эрбиевых волоконных лазеров.

Рисунок 5.29 - Диаграмма режимов генерации лазера в зависимости от мощности накачки и вероятности ап-конверсионных процессов.

5.5. Лазер на основе композитного волоконного световода

Очевидно, что уменьшение уровня кластеризации с сохранением концентрации ионов эрбия в сердцевине может позволить получить постоянную одночастотную генерацию даже при меньшей длине резонатора. Для нашего следующего эксперимента мы взяли принципиально новый композитный волоконный световод (КВС). Как было отмечено в главе 1, фосфатное стекло является одной из наилучших матриц для введения редкоземельных ионов и допускает легирование высокими концентрациями с минимальным уровнем образования ионных кластеров [445]. Согласно работам [254, 446], для создания волоконных лазеров потенциально перспективным является световод нового типа - композитный волоконный световод, изготовленный методом спекания фосфатного стекла в трубке из кварцевого стекла. Несмотря на то, что в процессе вытяжки такого световода происходит взаимная диффузия фосфатного и кварцевого стекол, из-за чего концентрация оксида фосфора и активных редкоземельных ионов уменьшается примерно вдвое, концентрация оксида фосфора и активных редкоземельных ионов в сердцевине все равно еще намного больше, чем в световодах, изготовленных при помощи традиционного метода химического осаждения кварцевого стекла из газовой фазы. За счет наличия оболочки из кварцевого стекла с композитным волоконным световодом проще работать по сравнению со световодами, целиком

состоящими из фосфатного стекла: он более устойчив к воздействию внешней среды, его просто соединять со световодами из кварцевого стекла, а получаемые сварные соединения надежны за счет отсутствия различий физико-химических свойств. Таким образом, КВС представляет большой научный и практический интерес как с точки зрения возможности легирования сердцевины высокими концентрациями

и и и и

некластеризованных ионов эрбия, так и своей простой геометрией, благодаря которой он хорошо совместим со стандартными волоконно-оптическими компонентами и устройствами.

Образцы композитного волоконного световода для исследований были изготовлены в соответствии с методикой, описанной в работе [254]. Химический состав сердцевины КВС и концентрации основных легирующих добавок приведены в Таблице 5.2. Световод имел профиль показателя преломления близкий к ступенчатому при разности показателей преломления сердцевины и оболочки Ап « 0,025, и был одномодовым в области длин волн 1,5 мкм (длина волны отсечки первой высшей моды Хс « 1,4 мкм). Диаметр сердцевины световода составлял 4,5 мкм, а внешней кварцевой оболочки - 125 мкм. Спектр оптических потерь в области поглощения и люминесценции

3+

ионов Ег 1450-1600 нм, измеренный методом укорочения длины световода, представлен на рисунке 5.30.

Таблица 5.2 - Химический состав сердцевины КВС

Состав сердцевины P2O5, мол.% Al2O3, мол.% Gd2O3, мол.% SiO2, мол.%

P2O5/Al2O3/Gd2O3/SiO2 24 3.5 2.5 70

Как видно из рисунка, интенсивность в пике поглощения на длине волны 1535 нм составила 1,4 дБ/см, что немногим меньше рассматриваемого выше световода, сделанного по технологии SPCVD. При этом на длинах волн излучения накачки 980 нм и 1490 нм поглощение составило порядка 0,4 дБ/см. Величина коэффициента усиления на длине волны 1550 нм, измеренная методом слабого сигнала, была определена как 0,5 дБ/см, что также несколько меньше рассмотренного выше световода. Однако за счет меньшей кластеризации, даже при меньшем усилении можно ожидать возникновения генерации, причем, возможно, в режиме постоянного излучения.

l2 150

1450 1500 1550 1600

Длина волны, нм

Рисунок 5.30 - Спектр оптических потерь КВС, исследованного в данной работе.

Высокая фоточувствительность нового композитного световода позволяет записывать в нем брэгговские решетки с высоким уровнем отражения [447-449]. Резонатор типа Фабри-Перо волоконного лазера был образован двумя ВБР, записанными непосредственно в сердцевине КВС. Запись ВБР для волоконного лазера осуществлялась через фазовую маску с периодом 1072 нм с частотой повторения импульсов 10 Гц и плотностью энергии в импульсе, равной 200 мДж/см2. Конфигурация резонатора (параметры ВБР и расстояние между ними) выбиралась исходя из усилительных свойств активного световода и условий накачки. Конструктивно исследованный образец лазера состоял из короткого отрезка активного световода с записанными в нем ВБР, к которому с двух сторон были подварены специально изготовленные световоды, легированные оксидом германия. Диаметры полей мод световода, легированного оксидом германия и активного световода практически совпадали и составляли на длине волны 1,55 мкм около 5 мкм. Исследование характеристик волоконного лазера проводилось в двух режимах накачки: сначала - с использованием в качестве источника накачки полупроводникового диода с длиной волны 976 нм и затем - диода с длиной волны генерации 1490 нм. Оба источника были по очереди подключены к исследуемому лазеру через волоконные фильтры-мультиплексоры по схеме встречной накачки, аналогичной схеме, изображенной на рисунке 5.3. Измерение вводимой в лазер мощности излучения накачки PP и мощности

на выходе из лазера PL осуществлялось при помощи измерителя JDSU OLP-55. Для исследования временных характеристик режима генерации лазера использовался высокоскоростной фотоприемник и осциллограф Tektronix DPO4102B с максимальной полосой пропускания 1 ГГц. Спектры излучения лазера были измерены с помощью оптического анализатора спектра Yokogawa AQ6370D при максимальном спектральном разрешении данного прибора 0,02 нм. Регистрация продольных мод лазерного резонатора осуществлялась с помощью сканирующего конфокального интерферометра Vitawave FPI SCC-750 с областью свободной дисперсии (FSR) 750 МГц.

Таким образом, резонатор был сформирован двумя решетками - «глухой» («HR»), длиной 4 мм и выходной («PR»), длиной 10 мм, имеющие коэффициенты отражения Rhr > 99,8 % (более 27 дБ) и Rpr = 96 % (~14 дБ) соответственно. Спектры пропускания ВБР, измеренные сразу после записи, приведены на рисунке 5.31. Расстояние между внутренними краями ВБР составило 9 мм. На рисунке 5.32 представлены расчетные спектры пропускания данных ВБР и резонатора, составленного из них. Как видно из рисунка 5.32, сформированный резонатор лазера действительно является оптимальным для приоритетной генерации в нем единственной продольной моды.

На рисунке 5.33 представлены экспериментальные спектры излучения лазера в случае использования схемы с источником накачки на длине волны 1490 нм. Анализ формы спектров излучения лазера вблизи порога генерации, в которых виден единственный узкий пик посередине, убедительно показывает, что при малых значениях мощности накачки лазер работает исключительно в одномодовом режиме. Одночастотный режим генерации лазера был также подтверждён с помощью сканирующего интерферометра: в области свободной дисперсии интерферометра, составлявшей 750 МГц, регистрировался только один максимум пропускания (рисунок 5.34). С увеличением мощности накачки в спектре присутствовали две ортогонально поляризованные моды излучения, спектральное расстояние между которыми составляло примерно 20 пм. Дополнительно поляризационный характер генерируемых мод был установлен с использованием призмы Глана, при прохождении через которую лазерное излучение становилось строго линейно-поляризованным.

ВОЛНЫ,

Рисунок 5.31 - Экспериментальные спектры пропускания выходной и глухой ВБР, записанных на отрезке КВС на расстоянии 9 мм друг от друга.

Модель спектра пропускания резонатора типа Фабри-Перо волоконного лазера (черная кривая), рассчитанная из реальных параметров резонатора. Красная кривая - спектр пропускания выходной ВБР длиной 10 мм, синяя кривая - спектр пропускания глухой

ВБР длиной 4 мм. Расстояние между краями ВБР - 9 мм. Рисунок 5.32 - Модель спектра пропускания резонатора и ВБР, лежащих в его основе.

Ш

аГ

X

а>

т

>

со

О

0

1

3" о

О -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80

1559,7 1559,8 1559,9 1560,0

Длина волны, нм

-1- Накачка: 1=1490 нм ЛП мйт

-69 мЕ 97 мЕ 5т Зт

1560,1

1560,2

Рисунок 5.33 - Спектры излучения лазера, измеренные при различных значениях мощности накачки на длине волны 1490 нм.

Частота, МГц

Рисунок 5.34 - Осциллограмма сигнала, полученного с выхода сканирующего

интерферометра Фабри-Перо.

Ширина спектральной линии генерации была измерена с помощью самогетеродинной (self-heterodine) схемы, описанной подробно в работах [272, 450] с помощью анализатора радиочастотного спектра Rohde & Schwarz FSH8. В схеме использовалась линия задержки длиной 50 км. Для смещения частоты с нулевой точки использовался акустооптических модулятор с частотой модуляции 40 МГц.

На рисунке 5.35 представлен результат измерений. Опираясь на приближенный метод определения ширины полосы генерации, основанный на численном анализе спектра частот биений [451], была сделана оценка ширины линии исследованного образца, которая составила не более 4 кГц.

39,96 39,98 40,00 40,02 40,04

Частота, МГц

Рисунок 5.35 - Спектр частот биений лазера.

На рисунке 5.36 представлены зависимости мощности лазерного излучения от мощности накачки для разных длин волн накачки. Пороговые значения вводимой мощности необходимые для возникновения лазерной генерации для обеих длин волн накачки примерно равны и составляют порядка 30 мВт с выходом на линейную зависимость примерно с 40 мВт. Однако эффективность лазерной генерации в зависимости от длины волны возбуждаемого излучения отличается более чем в 3,5 раза: 0,52% и ~ 0,14% для длин волн накачки 1490 нм и 976 нм соответственно. Такая значительная разница в эффективности лазерной генерации не может быть объяснена лишь разницей в энергии квантов источников накачки. По всей видимости, при накачке

на длине волны 976 нм существенную роль играет поглощение из возбуждённого состояния («enhanced state absorption», ESA) ионов Er и связанные с ним ап-конверсионные процессы, которые могут приводить к значительным потерям и снижению эффективности генерации лазера [452, 453].

200 300 400 500 Мощность накачки, мВт

Рисунок 5.36 - Выходная мощность лазера в зависимости от мощности излучения источников накачки (измерена для источников накачки с длинами волн 976 и 1490 нм).

На рисунке 5.37 показаны зависимости излучения лазера от времени при различных мощностях накачки на длинах волн 976нм (рисунок 5.37а) и 1490 нм (рисунок 5.37б). Видно, что при малых значениях вводимой мощности лазер работает в импульсном режиме. Кроме того, частота следования импульсов и длительность импульсов однозначно зависят от мощности накачки, а именно, при повышении мощности лазер постепенно переходит в режим постоянной генерации с уменьшением переменной составляющей излучения. Такое поведение лазера полностью согласуется с теоретической моделью, предложенной в разделе 5.4 [410]. Отметим, что выявленный характер временной зависимости излучения несколько отличен для длин волн накачки 976 и 1490 нм. Так, для длины волны 976 нм характерны менее выраженные по амплитуде пики и более плавный переход в режим постоянной генерации. Напротив, в

случае использования длины волны возбуждения 1490 нм при малых мощностях накачки наблюдались преимущественно контрастные амплитудные пики импульсной генерации, а с увеличением вводимой мощности происходил довольно резкий переход в режим непрерывной генерации с одновременным падением уровня постоянной составляющей. При этом и частота следования импульсов в случае использования накачки с длиной волны 1490 нм оказалась заметно ниже, чем с длиной волны 976 нм. Так, вблизи порога генерации составили 58 и 132 кГц соответственно, а при максимальных значениях мощности - порядка 850 и 300 кГц.

Рисунок 5.37 - Относительная интенсивность излучения лазера в зависимости от времени, измеренная при различных значениях мощности источников накачки с длиной

волны 976 (а) и 1490 нм (б).

Такое поведение, по всей видимости, объясняется более высокой степенью нагрева резонатора лазера при накачке на длине волны 976 нм. При этом с ростом мощности накачки нагрев только увеличивается, вызывая два конкурирующих, для перехода в режим постоянной генерации, процесса (рисунок 5.29) [454].

5.6. Выводы к главе 5

1. На основе нового фоточувствительного высоколегированного ионами иттербия, волокна, изготовленного с применением технологии SPCVD, получен волоконный РОС-лазер с ультракоротким резонатором длиной 12 мм. Получен одночастотный режим генерации РОС-лазера на длине волны 1033,3 нм. Гетеродинным методом определена ширина линии генерации лазера, которая при длине резонатора 20 мм не превышала 8 кГц. Показана стабильность выходной мощности лазера в одночастотном режиме на уровне 10 мВт при многочасовой эксплуатации в лабораторных условиях [388, 389, 393, 395, 405].

2. В работе показано негативное влияние насыщения молекулярным водородом при последующем облучении образцов УФ-излучением с длиной волны 193 нм на усилительные свойства активных кварцевых волокон, легированных Ег3+. Это влияние связано с наведением, под действием квантов УФ-излучения с энергией 6,4 эВ в сетке стекла сердцевины световода, дефектов двух типов: фотоиндуцированных кислородно-дырочных центров (Si-OHC, Al-OHC) и гидроксильных центров, формирующихся только в условиях предварительного насыщения световода молекулярным водородом. Часть фотоиндуцированных центров, не ассоциированных с водородными связями, распадается при воздействии излучения накачки на длине волны 976 нм [420-423].

3. Впервые обнаружен новый эффект - переключение между режимами импульсной и постоянной генерации при уменьшении температуры эрбиевого волоконного лазера, резонатор которого сформирован на участке высоколегированного волокна. Показано, что данный эффект обусловлен неточным соответствием энергий уровней при ап-конверсионных эффектах на ионных парах, что приводит к существенной роли температуры в вероятности ее возникновения. Было показано, что причиной возникновения импульсов является пассивная модуляция добротности, обусловленная эффектом, обратного насыщающегося поглощения [410, 431, 432, 444].

4. Проведены сравнительные исследования спектральных характеристик волоконного лазера, записанного в композитном волоконном световоде, при двух различных режимах накачки: с использованием диодов, излучающих на длинах волн 976 и 1490 нм соответственно. Впервые продемонстрирована работа эрбиевого волоконного лазера с длиной резонатора порядка 1 см в режиме постоянной генерации при накачке на длине волны 1490 нм. При этом эффективность лазерной генерации примерно в 3.5 раза выше, чем при накачке на 976 нм, что может быть связанно со значительным влиянием ап-конверсионных процессов во втором случае. Продемонстрирована работа лазера в импульсном режиме самомодуляции добротности при малых токах накачки с переходом в режим постоянной генерации при повышении мощности накачки, что подтверждает предложенную ранее модель возникновения пассивной модуляции добротности в высоколегированных эрбиевых световодах [449, 454].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые показана возможность записи брэгговских решеток в волоконных световодах со слаболегированной азотосиликатной (0,5 ат.% N) сердцевиной. Выявлен двухэтапный механизм записи в азотосиликатных образцах. [293].

2. В световодах с высокой концентрацией азота в сердцевине наблюдается ярко выраженная зависимость скорости записи брэгговских решеток от плотности энергии экспонирующего излучения, что свидетельствует о существенной роли многофотонных процессов [298].

3. Брэгговские решетки, записанные в световодах с сердцевиной, легированной азотом, обладают повышенной термической устойчивостью вплоть до температур 450-500 °C [300], при этом решетки типа IIa более устойчивы к воздействию высоких температур по сравнению с решетками типа I, записанными в тех же волокнах. Динамика изменения параметров решетки типа IIa под воздействием температуры зависит от плотности энергии УФ-излучения, при которой записывалась брэгговская структура. Наиболее вероятно, что данные изменения связаны с изменением радиального профиля световода в местах облучения вследствие частичной диффузии атомов азота при записи решетки [298, 299, 301304, 314].

4. Выявлено влияние водорода на параметры брэгговских решеток, записанных как в германосиликатных, так и в азотосиликатных волокнах. Показано резкое изменение параметров азотосиликатных образцов даже при присутствии малого количества водорода в сердцевине. Взаимодействие водорода с фотоиндуцированными центрами, ассоциированными с атомами азота, приводит к резкому падению контраста брэгговских решеток типа I и росту уровня отражения решеток типа IIa, и является причиной подавления фоточувствительности в данном типе стекла. Данный эффект влияния водорода на параметры решеток подавляется при проведении предварительного термического отжига брэгговских решеток при температуре порядка 700 °C в течение 20 минут, что связано с термическим распадом фотоиндуцированных центров, ответственных за формирование решеток типа I [305, 309, 311, 315].

5. Впервые исследована радиационная стойкость двулучепреломляющего оптического волокна с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного азотом. Выявлено влияние коротковолновой и длинноволновой составляющих в общий уровень радиационно-наведенных потерь. Показано, что потери при дозе облучения 2-10 кГр не превышают 5-10 дБ/км, что на порядок ниже аналогичных показателей для стандартных телекоммуникационных волокон на основе германосиликатного стекла. [322-324, 327].

6. Продемонстрирована высокая стабильность параметров брэгговских решеток, записанных в световодах с азотосиликатной сердцевиной, к воздействию ионизирующего излучения, что, вкупе с их высокой термической стойкостью, делает такие решетки перспективными в качестве датчиков, работающих в условиях повышенного фона ионизирующего излучения [330, 347, 349-351].

7. Показано, что на основе волоконных брэгговских решеток могут быть созданы волоконные датчики механических деформаций, способных работать в условиях активной зоны атомного реактора [349, 351, 356, 357]. Впервые представлен принципиально новый тип брэгговского волоконно-оптического датчика на основе четырехсердцевинного кварцевого стержня-сборки для мониторинга кривизны технологических каналов в графитовой кладке канального атомного реактора [353, 358]. Датчик продемонстрировал работоспособность в условиях работы реактора РБМК-1000 на 100% мощности [356, 357]. Благодаря новой разработке была решена отраслевая задача мониторинга искривления технологических каналов в графитовой кладке атомного реактора РБМК-1000.

8. Разработана методика изготовления волоконных плазмонных сенсоров на основе наклонных брэгговских решеток, включающая в себя новый способ равномерного нанесения тонких металлических покрытий заданной толщины на боковую поверхность волоконного световода [181, 360, 361, 382].

9. Впервые предложено использование двулучепреломляющих волокон для контроля поляризации излучения, проходящего через плазмонный сенсор на основе наклонных брэгговских решеток. Сравнительные эксперименты продемонстрировали увеличение стабильности показаний сенсора при механическом воздействии на подводящее волокно на порядок величины [362].

10. Экспериментально исследована динамика изменения длины волны плазмонного резонанса сенсора на основе наклонной брэгговской решетки при изменении температуры окружающей среды. Продемонстрирована возможность температурной компенсации сигнала, что позволяет увеличить стабильность показаний сенсора, минимизировав влияние температуры при реальной его эксплуатации [360, 371, 383].

11. Разработан макет микрофлюидного чипа для проведения измерений в потоке исследуемой жидкости. Впервые предложен метод жесткого крепления сенсорного элемента на основе наклонной брэгговской решетки в канале чипа, благодаря чему минимизировано влияние механического воздействия на сенсор в потоке исследуемой жидкости [367].

12. Впервые разработан универсальный математический аппарат обработки показаний плазмонного сенсора на основе наклонной брэгговской решетки, основанный на комплексном анализе спектрального положения и амплитуды пиков спектра пропускания сенсора. С его помощью было получено разрешение сенсора на уровне 3х10-6 по показателю преломления. [371, 384]. Исследована возможность детектирования концентрации биологических молекул в чистых растворах с помощью волоконного плазмонного сенсора без функционализации поверхности. Обозначены перспективы для дальнейшего развития биосенсорики на базе разработанных волоконных чувствительных элементов [360, 383, 385].

13. На основе нового фоточувствительного, высоколегированного ионами иттербия, световода изготовлен волоконный лазер с распределенной обратной связью с ультракоротким резонатором длиной 12 мм. Получен одночастотный режим генерации такого лазера на длине волны 1033,3 нм. Ширина спектральной линии генерации лазера с резонатором длиной 20 мм не превышала 8 кГц. Показана стабильность выходной мощности лазера в одночастотном режиме на уровне 10 мВт при длительной эксплуатации в лабораторных условиях [388, 389, 393, 395, 405].

14. Выявлено негативное влияние насыщения молекулярным водородом при последующем, характерном для записи брэгговских решеток, облучении образцов УФ-излучением с длиной волны 193 нм, на усилительные свойства кварцевых активных волокон, легированных Ег3+. Предложено объяснение данного явления.

Показано, что часть фотоиндуцированных центров распадается при воздействии излучения накачки на длине волны 976 нм [420-423].

15. Впервые обнаружен эффект перехода импульсного режима в режим постоянной генерации при уменьшении температуры эрбиевого волоконного лазера, резонатор которого сформирован на участке высоколегированного волокна. Было показано, что причиной возникновения импульсов является пассивная модуляция добротности, обусловленная эффектом обратного насыщающегося поглощения [410, 431, 432, 444].

16. Впервые продемонстрирована работа эрбиевого волоконного лазера с длиной резонатора порядка 1 см в режиме постоянной генерации при накачке на длине волны 1490 нм. Продемонстрирована работа лазера в импульсном режиме самомодуляции добротности при малых токах накачки с переходом в режим постоянной генерации при комнатной температуре при повышении мощности накачки, что подтверждает предложенную модель возникновения пассивной модуляции добротности в высоколегированных эрбиевых световодах [449, 454].

В заключении хочу выразить благодарность директору ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, члену-корреспонденту РАН Никитову Сергею Аполлоновичу за всестороннюю поддержку проводимых работ, д.ф.-м.н., профессору Голанту Константину Михайловичу за научное руководство и обучение на начальном этапе моей деятельности, а также помощь в проведении работ, д.т.н., профессору Петрухину Геннадию Дмитриевичу, д.ф.-м.н. Дорофеенко Александру Викторовичу, д.ф.-м.н. Моршневу Сергею Константиновичу за конструктивную критику и обсуждение результатов данной диссертационной работы, Шевцову Игорю Александровичу и Федорову Артему Николаевичу за помощь в проведении экспериментов и практическую реализацию результатов работы.

Отдельную благодарность хочу выразить своей супруге, Бутовой Екатерине Валерьевне за терпение, моральную поддержку и техническую помощь при написании данной диссертационной работы, а также своим родителям Бутову Владиславу Сергеевичу и Бутовой Татьяне Николаевне за помощь в выборе увлекательной стези ученого.

ВБР

FWHM

WDM

DWDM

УФ ИК

SPCVD

РНП

НВБР

ППР

YDFL

EDFL

EDFA

MCVD

EYDFL

ASE

DBR

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Волоконная брэгговская решетка

(англ. Full Width at Half Maximum) Ширина спектра на полувысоте (англ. Wavelength Division Multiplexing) Технология спектрального управления каналов.

(англ. Dense Wavelength Division Multiplexing) Технология cпектрального управления каналов повышенной плотности Ультрафиолет, ультрафиолетовый Инфракрасный

(англ. Surface Plasma Chemical Vapour Deposition) Технология плазмохимического синтеза кварцевого стекла из газовой фазы Радиационно-наведенные потери Наклонная волоконная брэгговская решетка Поверхностный плазмонный резонанс

(англ. Ytterbium Doped Fiber Laser) Иттербиевый волоконный лазер (англ. Erbium Doped Fiber Laser) Эрбиевый волоконный лазер (англ. Erbium Doped Fiber Amplifier) Эрбиевый волоконный усилитель

(англ. Modified Chemical Vapour Deposition) Модифицированная технология синтеза кварцевого стекла из газовой фазы (англ. Erbium-Ytterbium Doped Fiber Laser) Эрбиевый волоконный лазер

(англ. Amplified Spontaneous Emission) Усиленная спонтанная люминесценция

(англ. Distributed Bragg Reflector) Резонатор полупроводникового лазера с внешней брэгговской решеткой, либо резонатор волоконного

POC

DFB NICC

ДЛПОВ PANDA

ОУ

ТВС

ХА

RIU

FC/APC

FWDM

OSA OHC FP-EDFL

FBG КВС

ESA

лазера типа фабри-Перо с брэгговскими решетками, записанными непосредственно в активном световоде Распределенная обратная связь - тип структуры лазерного резонатора

(англ. Distributed Feedback) Распределенная обратная связь (англ. Normalized Integrated Couple Constant) Нормированная объединенная константа связи Двулучепреломляющее оптическое волокно

Тип двулучепреломляющего волоконного световода, анизотропия

которого обеспечена круглыми боросиликатными стержнями в

структуре световода

Облучательное устройство

Тепловыделяющая сборка

Хромель-алюмель - тип термопары

(англ. Refractive Index Unit) Величина показателя преломления тип оптического разъема с полированным под углом выходным Торцом

(англ. Fused Wavelength Division Multiplexer) - сплавной селективный оптический разветвитель

(англ. Optical Spectrum Analyzer) - анализатор оптического спектра (англ. oxygen-hole center) - немостиковый атом кислорода (англ. Fabry-Perot Erbium Doped Fiber Laser) Эрбиевый волоконный Лазер с резонатором типа Фабри-Перо

(англ. Fiber Bragg Grating) - Волоконная брэгговская решетка Композитный волоконный световод

(англ. enhanced state absorption ) - поглощение из возбужденного

состояния

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kapron F. P., Keck D. B., Maurer R. D. Radiation losses in glass optical waveguides // Applied Physics Letters. - 1970. - V. 17. - N 10. - P. 423-425.

2. Hill K. O., Fujii Y., Johnson D. C., Kawasaki B. S. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication // Applied physics letters. - 1978. - V. 32. - N 10. - P. 647-649.

3. Meltz G., Morey W. W., Glenn W. H. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method // Optics letters. - 1989. - V. 14. - N 15. - P. 823-825.

4. Kashyap R. Fiber bragg gratings. Academic press, 2009.

5. Othonos A. Fiber bragg gratings // Review of scientific instruments. - 1997. - V. 68. - N 12. - P. 4309-4341.

6. Васильев С. А., Медведков О. И., Королев И. Г., Божков А. С., Курков А. С., Дианов Е. М. Волоконные решетки показателя преломления и их применения // Квантовая электроника. - 2005. - V. 35. - N 12. - P. 1085-1103.

7. Hill K. O., Meltz G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview // Journal of lightwave technology. - 1997. - V. 15. - N 8. - P. 1263-1276.

8. Варжель С. В. Волоконные брэгговские решетки // СПб: Университет ИТМО. - 2015.

- P. 6-8.

9. Morey W. W., Meltz G., Glenn W. H. Fiber optic Bragg grating sensors // Fiber Optic and Laser Sensors VII. - T. 1169 -International Society for Optics and Photonics, 1990. - C. 98107.

10. Hidayat A., Wang Q., Niay P., Douay M., Poumellec B., Kherbouche F., Riant I. Temperature-induced reversible changes in the spectral characteristics of fiber Bragg gratings // Applied optics. - 2001. - V. 40. - N 16. - P. 2632-2642.

11. Tremblay G., Sheng Y. Effects of the phase shift split on phase-shifted fiber Bragg gratings // JOSA B. - 2006. - V. 23. - N 8. - P. 1511-1516.

12. Nikulin M. A., Churin D. E., Vlasov A. A., Podivilov E. V. Distributed feedback ytterbium fiber laser: experiment and analytical model // JOSA B. - 2010. - V. 27. - N 7. - P. 14141420.

13. Askins C. G., Williams G. M., Bashkansky M., Friebele E. J. Fiber Bragg reflectors by single excimer pulse // Fiber Optic Smart Structures and Skins V. - T. 1798 -International Society for Optics and Photonics, 1993. - C. 66-71.

14. Xie W. X., Niay P., Bernage P., Douay M., Bayon J. F., Georges T., Monerie M., Poumellec B. Experimental evidence of two types of photorefractive effects occuring during photoinscriptions of Bragg gratings within germanosilicate fibres // Optics Communications. -1993. - V. 104. - N 1-3. - P. 185-195.

15. Canning J., Aslund M. Correlation of ultraviolet-induced stress changes and negative index growth in type IIa germanosilicate waveguide gratings // Optics letters. - 1999. - V. 24. - N 7.

- P. 463-465.

16. Riant I., Haller F. Study of the photosensitivity at 193 nm and comparison with photosensitivity at 240 nm influence of fiber tension: type IIa aging // Journal of lightwave technology. - 1997. - V. 15. - N 8. - P. 1464-1469.

17. Groothoff N., Canning J. Enhanced type IIA gratings for high-temperature operation // Optics letters. - 2004. - V. 29. - N 20. - P. 2360-2362.

18. Dianov E. M., Golant K. M., Khrapko R. R., Kurkov A. S., Leconte B., Douay M., Bernage P., Niay P. Grating formation in a germanium free silicon oxynitride fibre // Electronics Letters. - 1997. - V. 33. - P. 236-238.

19. Dianov E. M., Golant K. M., Khrapko R. R., Kurkov A. S., Leconte B., Douay M., Bernage P., Niay P. STRONG BRAGG GRATINGS FORMATION IN GERMANIUM-FREE NITROGEN-DOPED SILICA FD3ERS // Optical Fiber Communication Conference -Optical Society of America, 1997. - C. PD5.

20. Canning J., Moss D., Aslund M., Bazylenko M. A study of negative index grating growth in germanosilicate planar waveguides // Optical and quantum electronics. - 1999. - V. 31. - N 5-7. - P. 469-480.

21. Russell P. S. J., Archambault J.-L., Reekie L. Fibre gratings // Physics World. - 1993. - V. 6. - N 10. - P. 41.

22. Rao Y.-J. In-fibre Bragg grating sensors // Measurement science and technology. - 1997. -V. 8. - N 4. - P. 355.

23. Cusano A., Cutolo A., Albert J. Fiber Bragg grating sensors: recent advancements, industrial applications and market exploitation. Bentham Science Publishers, 2011.

24. Krohn D. A., MacDougall T., Mendez A. Fiber optic sensors: fundamentals and applications. Spie Press Bellingham, WA, 2014.

25. Canning J. Photosensitization and photostabilization of laser-induced index changes in optical fibers // Optical Fiber Technology. - 2000. - V. 6. - N 3. - P. 275-289.