Волоконные лазеры

Существенное усовершенствование во­локонных лазеров произошло в те­чение последних десяти лет, и теперь они составляют серьезную конкуренцию твердотельным лазерам. Волоконные лазеры представляют боль­шой интерес для иссле­дователей и инженеров. Волноводные свойства, присущие оптическим волокнам, позволяют использовать актив­ное волок­но длиной десятков и даже сотен метров. От волокна с одной серд­цевиной можно полу­чить оптическую мощность, превышающую один киловатт [22].

Для некоторых применений бывает необходимо интегрировать лазеры в виде компактных устройств. Иногда требуется получить узкий спектр генерации или до­биться генерации в одночастотном режиме. Для таких целей необходимы волоконные лазеры на коротком волокне, обладающие большой выходной мощностью на единицу длины. Как показывают последние иссле­дования, компактные волоконные лазеры высокой мощности по своим характерис­тикам являются потенциальными конкурен­тами твердотельных лазеров, созданных по традиционным технологиям на основе полу­проводниковых диодов, а также кристаллов или керамики, активированных редкоземель­ными элементами.

В результате наличия большого количества различ­ных активаторов и соактиваторов волокон­ные лазеры могут генерировать на большом количестве длин волн от видимой до ИК области спектра, при этом для их накачки можно использовать излучения различных длин волн (рис. 2.1).

По ряду причин волоконные лазеры являются особенно интересными для созда­ния мощных источников лазерного излучения. Резонаторы таких лазеров просты и надежны. Они изготавливаются штамповкой и не требуют юстировки, что обусловливает исключительную надежность и минималь­ные затраты на эксплуатацию и обслуживание. Эти привлекательные черты нет необходимости обеспечивать за счет рабочих характеристик.

Волоконные лазеры генерируют пучки с дифракционной расходимостью и обладают самой высокой эффективностью «от розетки» среди конку­рирующих систем.

К тому же нет необходимости для лазерного пучка покидать волновод. Энергия может быть направлена к конечной цели по гибкому оптическому волокну. Присущая таким лазерам волноводная структура делает их стойкими к термооптическим искаже­ниям, таким как термическая линза, и обеспечивает наилучшим образом одномодовую генерацию в непрерывном режиме.

Волоконные лазеры были созданы еще в 1963 году [9], однако модели, альтернативные традиционным лазерам, появились толь­ко около 20 лет тому назад. Первые волокон­ные лазеры мощностью в несколько ватт поя­вились примерно в 1990 году после изобретения волоконных брэгговских решеток и реализации схем многомодовой накачки [10]. Естественным образом быстрое улучшение рабочих характеристик волоконных лазеров было связано с успехами в технологии волоконных усилителей на активированном эрбием волокне, предназначенных для систем связи [22].

Короткие волоконные лазеры.

В большинстве современных волокон­ных лазеров используются длинные (мет­ровые) резонаторы. Лазеры на волокне сантиметрового размера, обладающие ря­дом преимуществ, также находят примене­ние. Например, короткие волоконные лазеры могут быть интегрированы на микросхеме или на маленькой плате и использованы в виде матрицы. К тому же, когда необходима одночастотная генерация, длинные волоконные лазеры становятся нестабильными из-за трудности выбора одной частоты на фоне близко расположенных продольных мод.

По этим причинам лазеры на волокне с короткой длиной обычно накачиваются в сердцевину одномодовым излучением лазерных диодов очень слабой мощности. Выходная мощность лазеров на волокне из фосфатного стекла сантиметровой длины при этом составляет 100 мВт [11]. Одночастотные волоконные лазеры на коротком волокне с узкой линией генерации приме­няются для дистанционного зондирования и в качестве задающих генераторов лазеров для усилителей и систем сведения пучков. Недавно было показано, что лазеры на санти­метровом волокне специальной конструк­ции могут обладать выходной мощностью порядка 10 Вт [22].

Эти лазеры накачиваются многомодовыми полупроводниковыми лазерными дио­дами через D-образную оболочку. Такая конфигурация волокна позволяет увеличить поглощение излучения накачки. Однако при таких рекордных мощностях (более 1,3 Вт на сантиметр волокна) проявляются тепло­вые эффекты, и активное охлаждение становится необходимым.

Более гибким способом является использование недавно разработанных микроструктурированных волокон, обладающих пере­менным двумерным профилем показателя преломления в пределах сердцевины волокна. Кроме волоконных лазеров, микрос­труктурированные оптические волокна при­меняются во многих других областях, по­этому их технология быстро совершенству­ется [16].

Использование микроструктурированных воздушно-стеклянных волокон, которые иногда также называют «дырчатыми», делает конструирование волоконных лазеров более гибким (рис. 2.2). В таких волокнах существует периодическая решетка воздушных отверстий по сечению волокна. Будучи сконструированы должным образом, такого рода структуры могут обеспечить необычные волноводные свойства, включая одномодовую генерацию при большом размере моды, чего невоз­можно достичь на обычном волокне со ступенчатым изменением показателя преломления. При введении редкоземельного активатора в сердцевину были реализованы лазеры на микроструктурированном во­локне. Специальная разработка системы с большой площадью моды позволила получить выходную мощность 80 Вт при использовании микроструктурированного кварцевого волокна с длиной 2,3 м.

 

 

Рис. 2.2. Схема лазера с биполярным соединением, квантово-каскадного лазера,
лабораторного лазера с элементом Пельтье

 

Квантово-каскадные лазеры могут теперь работать в непрерывном одночастотном режиме с большой мощностью и при комнатной температуре (рис. 2.2). Этот прогресс имеет большое число применений, включая медицинский анализ дыхания и мониторинг окружающей среды.