Применение волоконных брэгговских решеток. Врб в схемах диодных и волоконных лазеров.
В настоящее время ВБР нашли ряд важных применений в схемах полупроводниковых и волоконных лазеров. Использование решеток позволяет гибко варьировать длину волны генерации в пределах контура усиления активной среды лазера, обеспечить стабильность генерации, в ряде случаев уменьшить ширину лазерной линии, реализовать ее перестройку и т. д.
На рис.1 показана одна из возможных схем использования ВБР в качестве внешнего резонатора диодного лазера.
Рис. 1 Схема стабилизации излучения полупроводниковых лазеров с помощью ВБР
Излучение диодного лазера с помощью линзы, сформированной на торце световода, вводится в его сердцевину. Брэгговская решетка, записанная в ВС, формирует обратную связь на резонансной длине волны λBG. В частности, ВБР может играть роль зеркала внешнего резонатора, что обеспечивает генерацию одной собственной моды лазерного диода, длина волны которой находится в контуре отражения решетки (рис.2). Чтобы исключить влияние собственного резонатора лазера, на его выходную грань, обращенную к световоду, наносят просветляющее покрытие.
В зависимости от параметров решетки и расстояния между ней и лазерным кристаллом возможно получение одночастотного или многочастотного режима лазерной генерации. Так как температурная чувствительность λBG примерно на порядок ниже чувствительности длины волны диодных лазеров, такая конфигурация позволяет в ряде применений обойтись без температурной стабилизации самого лазерного диода. Описанная схема стабилизации излучения полупроводниковых лазеров
Рис. 2. Спектры излучения диодного лазера без внешнего резонатора (а) и с внешним резонатором на основе ВБР (6).
применяется для создания одномодовых лазеров накачки, а также источников излучения в системах связи со спектральным уплотнением каналов (как альтернатива лазерам с распределенной обратной связью).
ВБР широко используются для формирования резонаторов волоконных лазеров, в качестве активной среды которых служат ВС, легированные ионами редкоземельных элементов, таких как эрбий, неодим, иттербий, тулий и гольмий. Решетки при этом могут быть записаны непосредственно в активном световоде.
Одномодовые волоконные лазеры с узкой линией генерации и относительно небольшой выходной мощностью (~ 10 мВт) находят применение в лазерной спектроскопии, датчиках физических величин и др. Среди многочисленных схем таких лазеров можно выделить лазер с относительно коротким резонатором (несколько сантиметров), сформированным двумя однородными ВБР, и лазер на основе ВБР с фазовым сдвигом.
В последние годы активные исследования проводятся в области создания мощных волоконных лазеров с использованием ВС с двойной оболочкой. Значительный прогресс в этом направлении обусловлен, прежде всего, разработкой мощных и надежных полупроводниковых источников накачки, а также качественных ВС с двойной оболочкой.
Типичная структура ВС с двойной оболочкой представлена на рис.3.
Рис. 3. Структура волоконного лазера на основе активного световода с двойной оболочкой:
1 - сердцевина; 2 - оболочка из кварцевого стекла; 3 - полимерная оболочка; 4 - ВБР.
Он состоит из трех слоев: одномодовой сердцевины 1, легированной как активной примесью редкоземельного элемента, так и примесями, формирующими профиль ПП, внутренней кварцевой оболочки 2 и внешней полимерной оболочки 3 с ПП, меньшим, чем у кварцевого стекла. Внутренняя кварцевая оболочка имеет типичный размер 0.1-1 мм, что обеспечивает возможность ввода излучения накачки от полупроводниковых источников с мощностью несколько десятков ватт. При распространении по кварцевой оболочке излучение накачки поглощается активными ионами редкоземельного элемента, вызывая люминесценцию, которая при наличии резонатора, сформированного ВБР 4, развивается в лазерную генерацию, локализованную в сердцевине ВС диаметром 5-10 мкм. Для более эффективного поглощения накачки кварцевая оболочка может иметь прямоугольное или D-образное поперечное сечение.
Типичные характеристики иттербиевого волоконного лазера на основе ВС с двойной оболочкой иллюстрирует рис.4. Представлены спектр люминесценции, а также спектр генерации лазера, возникающий при объединении световода с парой согласованных решеток, имеющих резонансную длину волны 1103нм (рис.4, а). В данном случае ВБР с высоким коэффициентом отражения (R > 99 %) имела спектральную ширину 0.7 нм, а выходная ВБР (R ≈ 10 %) - 0.3 нм. Благодаря широкой полосе люминесценции иттербиевые ВС позволяют получать лазерную генерацию в широком диапазоне длин волн (1050 - 1150 нм) с дифференциальной эффективностью 50 %- 80 %. Зависимости выходной мощности лазера от мощности накачки на 978 нм для разных длин волн генерации показаны на рис.4,б. Видно, в частности, что при удалении от максимума спектра люминесценции (1.08 - 1.09 мкм) эффективность генерации уменьшается, однако остается на уровне 30 % даже на длине волны 1148 нм.
Рис. 4. Характеристики иттербиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку - спектры люминесценции (штриховая кривая) и генерации (сплошная кривая) (а) и зависимости выходной мощности от мощности накачки для различных длин волн генерации (б).
Уже сейчас на основе ВС с двойной оболочкой разработаны лазерные системы с выходной мощностью ~ 1 кВт. Такие системы применяются для обработки различных материалов, а также в качестве источников накачки для волоконных ВКР-лазеров.
Волоконные ВКР-лазеры позволяют получать мощную (Р > 1 Вт) непрерывную генерацию в широком диапазоне длин волн (от 1.1 до 2.2 мкм). Для создания эффективных волоконных ВКР-лазеров используются как стандартные, так и специальные ВС. Несмотря на то что коэффициент ВКР-усиления в стекле относительно невелик (gR ~ 10-13 м/Вт), возможность создания эффективных лазеров определяется низкими потерями, большой длиной взаимодействия и высокой плотностью мощности излучения накачки (~ 1 ГВт/см2). В германосиликатных ВС максимум интенсивности полосы комбинационного рассеяния находится на 440-460 см-1, в то время как в ВС на основе фосфоросиликатного стекла присутствует дополнительная интенсивная полоса на частоте ~ 1330 см-1. Наличие последней позволяет сократить число каскадных ВКР-преобразований в три раза с тем, чтобы достичь определенной длины волны выходного излучения. Так, например, для получения генерации на длине волны 1480 нм (длина волны накачки эрбиевых усилителей) при накачке излучением иттербие- вого волоконного лазера в фосфоросиликатных ВС достаточно двух каскадов ВКР-преобразования, в то время как при использовании германосиликатных ВС необходимо 5-6 каскадов.
На рис.5 представлена схема двухкаскадного ВКР- лазера на основе фосфоросиликатного ВС. В этом лазере излучение иттербиевого лазера (1 = 1.06 мкм) с помощью двух последовательных ВКР-преобразований переводится в излучение на длине волны 1.48 мкм. Для эффективного ВКР-преобразования использовалось два вложенных резонатора (на 1 = 1.24 и 1.48 мкм), сформированные ВБР с соответствующими резонансными длинами волн. Для более эффективного использования мощности накачки на выходе ВКР-лазера была расположена ВБР с коэффициентом отражения 100 % на λ = 1.06 мкм.
Отметим, что в спектре излучения такого ВКР-лазера присутствуют непоглощенное излучение накачки, а также линия, соответствующая промежуточному ВКР-преобразованию на 1 ~ 1.24 мкм (рис.5,а); вместе с тем при правильной оптимизации схемы лазера интенсивность этих линий не превышает 1 % от интенсивности выходного излучения. При накачке мощностью 5 Вт на длине волны 0.98 мкм общая эффективность ВКР-лазера P1,48/P0,98 составляет примерно 22 % при дифференциальной квантовой эффективности около 50 % (рис.5,б).
Рис. 5. Спектр излучения (а) и зависимость интенсивности излучения на λ = 1.48 мкм от мощности диодного лазера накачки на λ = 0.98 мкм (б) для двухкаскадного ВКР лазера на основе фосфоросиликатного ВС.