Что такое волоконный лазер?

Определение: Лазер, в котором в качестве усиливающей среды используется легированное волокно, или лазер, резонатор которого в основном состоит из волокна.

Волоконные лазеры обычно относятся к лазерам, которые используют волокно в качестве усиливающей среды, хотя некоторые лазеры, в которых используются полупроводниковые усиливающие среды (полупроводниковые оптические усилители) и волоконные резонаторы, также могут называться волоконными лазерами (или полупроводниковыми оптическими лазерами). Кроме того, волоконными лазерами (или волоконными лазерными системами) называют и некоторые другие типы лазеров (например, полупроводниковые диоды с волоконной связью) и волоконные усилители.

В большинстве случаев усиливающая среда представляет собой волокно, легированное редкоземельными ионами, такое как эрбий (Er3+), иттербий (Yb3+), торий (Tm3+) или празеодим (Pr3+), и требуется один или несколько лазерных диодов с волоконной связью. для прокачки. Хотя усиливающая среда волоконных лазеров аналогична среде твердотельных объемных лазеров, волноводный эффект и небольшая эффективная площадь моды приводят к появлению лазеров с различными свойствами. Например, они обычно имеют высокое усиление лазера и большие потери в резонаторе. См. статьи волоконный лазер и объемный лазер.

Рисунок 1

Резонатор волоконного лазера

Чтобы получить лазерный резонатор с использованием оптического волокна, можно использовать ряд отражателей для формирования линейного резонатора или для создания волоконного кольцевого лазера. В линейном оптическом лазерном резонаторе могут использоваться различные типы отражателей:

фигура 2

1. В лабораторных установках на концах перпендикулярно сколотых волокон можно использовать обычные дихроичные зеркала, как показано на рисунке 1. Однако такое решение не может быть использовано в крупносерийном производстве и не является долговечным.

2. Френелевского отражения на конце незащищенного волокна достаточно, чтобы служить выходным элементом связи для волоконного лазера. На рисунке 2 показан пример.

3. Диэлектрические покрытия также можно наносить непосредственно на концы волокон, обычно путем испарения. Такие покрытия могут обеспечить высокую отражательную способность в широком диапазоне.

4. В коммерческой продукции обычно используются волоконные брэгговские решетки, которые могут быть изготовлены непосредственно из легированных волокон или путем сращивания нелегированных волокон с активными волокнами. На рис. 3 показан лазер с распределенным брэгговским отражателем (лазер DBR), содержащий две волоконные решетки. Существует также лазер с распределенной обратной связью с решеткой в ​​легированном волокне и фазовым сдвигом между ними.

5. Если свет, излучаемый оптоволокном, коллимируется линзой и отражается обратно дихроичным зеркалом, можно добиться лучшего управления мощностью. Свет, получаемый зеркалом, будет иметь значительно меньшую интенсивность из-за большей площади луча. Однако небольшие перекосы могут привести к значительным потерям на отражение, а дополнительные отражения Френеля на торцах волокна могут вызвать эффект фильтра. Последнюю можно подавить, используя сколы волокон под углом, но это приводит к потерям, зависящим от длины волны.

6. Также возможно сформировать оптический петлевой отражатель, используя волоконный соединитель и пассивные волокна.

Большинство оптических лазеров накачиваются одним или несколькими полупроводниковыми лазерами с волоконной связью. Свет накачки подается непосредственно в сердцевину волокна или при высокой мощности в оболочку накачки (см. волокна с двойной оболочкой), что будет подробно обсуждаться ниже.

Существует множество типов волоконных лазеров, некоторые из которых описаны ниже.

Существует множество типов волоконных лазеров, некоторые из которых описаны ниже.

Мощные волоконные лазеры

Первоначально волоконные лазеры могли достигать выходной мощности всего в несколько милливатт. Сегодня мощные волоконные лазеры могут достигать выходной мощности в несколько сотен ватт, а иногда даже в несколько киловатт по одномодовому волокну. Это достигается за счет увеличения соотношения сторон и волноводных эффектов, позволяющих избежать термооптических эффектов.

Более подробную информацию см. в статье «Мощные волоконные лазеры и усилители».

Волоконные лазеры с повышением конверсии

Волоконные лазеры особенно подходят для реализации лазеров с повышающим преобразованием, которые обычно работают на относительно редких лазерных переходах и требуют очень высоких интенсивностей накачки. В волоконных лазерах высокие интенсивности накачки могут поддерживаться на больших расстояниях, так что полученная эффективность усиления легко достигается на переходах с очень низким усилением.

В большинстве случаев кварцевые волокна не подходят для волоконных лазеров с повышением частоты преобразования, поскольку механизм преобразования с повышением частоты требует длительного времени жизни промежуточного состояния на электронном энергетическом уровне, которое обычно очень мало в кварцевых волокнах из-за высокой энергии фононов (см. Многофотонные переходы). Поэтому обычно используются некоторые волокна из фторида тяжелых металлов, такие как ZBLAN (фторцирконат) с низкой энергией фононов.

Наиболее часто используемые волоконные лазеры с повышающим преобразованием — это волокна с легированием тория для синего света, лазеры с легированием празеодима (иногда с иттербием) для красного, оранжевого, зеленого или синего света и лазеры с легированием эрбия для триода.

Волоконные лазеры с узкой шириной линии

Волоконные лазеры могут работать только в одной продольной моде (см. одночастотный лазер, одномодовый режим) с очень узкой шириной линии в несколько килогерц или даже менее 1 кГц. Для длительной стабильной одночастотной работы и без дополнительных требований после учета температурной стабильности резонатор лазера должен быть коротким (например, 5 см), хотя чем длиннее резонатор, в принципе, тем ниже фазовый шум и уже ширина линии. Конец волокна содержит узкополосную волоконную брэгговскую решетку (см. Лазер с распределенным брэгговским отражателем, волоконный лазер DBR) для выбора моды резонатора. Выходная мощность обычно составляет от нескольких милливатт до десятков милливатт, также доступны одночастотные волоконные лазеры с выходной мощностью до 1 Вт.

Крайней формой является лазер с распределенной обратной связью (DFB-лазер), в котором весь резонатор лазера содержится внутри волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом между ними. Здесь резонатор относительно короткий, что приводит к ухудшению выходной мощности и ширины линии, но одночастотная работа очень стабильна.

Волоконные усилители также можно использовать для дальнейшего усиления до более высоких мощностей.

Волоконные лазеры с модуляцией добротности

Волоконные лазеры могут генерировать импульсы длительностью от десятков до сотен наносекунд, используя различные активные или пассивные переключатели добротности. Энергия импульса в несколько миллиджоулей может быть достигнута с помощью волокон с большой площадью моды, а в крайних случаях может достигать десятков миллиджоулей, что ограничено энергией насыщения (даже для волокон с большой площадью моды) и порогом повреждения (более выраженным для более коротких импульсов). Все оптоволоконные устройства (за исключением оптики в свободном пространстве) ограничены по энергии импульса, поскольку они обычно не могут реализовать волокна с большой модовой площадью и эффективную коммутацию добротности.

Из-за высокого усиления лазера модуляция добротности в волоконных лазерах по своей природе сильно отличается от таковой в объемных лазерах и является более сложной. Обычно во временной области имеется несколько всплесков, а также можно создавать импульсы с модуляцией добротности длиной меньше, чем время прохождения резонатора туда и обратно.

Волоконные лазеры с синхронизацией мод используют более сложные резонаторы (сверхкороткие волоконные лазеры) для генерации пикосекундных или фемтосекундных импульсов. Здесь лазерный резонатор содержит активный модулятор или несколько насыщенных поглотителей. Насыщенные поглотители могут быть реализованы с помощью нелинейных эффектов вращения поляризации или с использованием нелинейного волоконного петлевого зеркала. Нелинейные петлевые зеркала можно использовать, например, в «лазере в форме восьмерки» на рисунке 8, где левая сторона содержит основной резонатор и нелинейное оптоволоконное кольцо для усиления, формирования и стабилизации двусторонних ультракоротких импульсов. Особенно при синхронизации гармонического режима требуются дополнительные устройства, такие как подрезонаторы, используемые в качестве оптических фильтров.