Технология волоконных лазеров.

В.П.Гапонцев, И.Э. Самарцев.

Историческая справка.

Волоконные лазеры явились логическим продолжением развития лазеров на основе активированных стекол.

Идея использовать активный элемент лазера в виде тонкого стеклянного световода появилась на заре лазерной эры. В ранних работа для накачки волоконных лазеров использовалась традиционная накачка от лампы вспышки. Уже в первых работах выполненых Снитцером и Коестером еще в 1963-1964 годах [1] (E.Snitzer and C.J.Koester) была продемонстрирована одномодовая генерация на стеклянных световодах легированных неодимом. А в 1969 году тем же Снитцером с использованием одномодового световода с диаметром световедущей жилы 15 мкм, было продемонстрировано усиление HeNe лазера на длине волны 1.0621 мкм на 40 дБ (с 230 мкВт до 0.6 Вт) [2].

Однако дальнейшее развитие волоконных лазеров было преостановлено крайне низкой эффективностью традиционной боковой ламповой накачки. Для волоконного лазера при длине световода 10 м и диаметре активированной световедущей жилы 15 мкм объем активной среды составляет менее 2 мм³ . Понятно что это делает ламповую накачку практически бессмысленной.

Новый импульс технология волоконных лазеров получила после появления работы Стоуна и Барруса [3] (Stone and Barrus) в 1973 году, в которой они предложили использовать для накачки волоконных световодов излучение другого лазера вводимое через торец волоконного световода. Такой способ накачки сразу продемонстрировал многие преимущества волоконных лазеров перед традиционными типами лазеров на основе объемных элементов. Среди этих преимуществ следует назвать очень высокую эффективность использования излучения накачки. Это достигаеться во-первых за счет большой длины поглощающей среды (до нескольких десятков метров) что, даже при низкой концентрации активных ионов, позволяет получать поглощение накачки на уровне десятков и даже сотен дицибел, а во-вторых за счет полного пространственного совпадения накачиваемого объема и объема в котором осуществляеться лазерная генерация (усиление). Все это позволяет, во многих случаях, получить практически предельную эффективность накачки ограничиваемую лишь разменом квантов.

Другим важным свойством волоконных лазеров являеться крайне малый объем активной среды, от долей до нескольких кубических миллиметров, что позволяет получать рекордно низкие пороги по накачкне (например для Nd менее 100 мкВт), а так же использовать в волоконных лазерах схемы генерации, в обьемных элементах практически не реализуемы по энергетическим причинам (например непрерывная генерация трехуровнеых сред (Er, Tm, Ho и т.д.)). Третьим преимуществом волоконных лазеров является возможность получения практически любого коэффициента усиления, ограничеваемого только усилением спонтанной люминесценции, даже для очень слабых лазерных переходов (с низким сечением).

Несмотря на все свои достоинства волоконные лазеры оставались в зоне в основном теоретического интереса вплоть до середины воьмидесятых годов. Этому были две причины: первая причина заключалась в несовершенстве технологии изготовления стеклянных световодов требуемого качества, как по неактивным потерям, так и по геометрии. Вторая причина заключалась в отсутствии подходящего источника лазерной накачки. Обе эти проблемы получили разрешение к середине 80-х годов прошлого века.

С одной стороны была разработана технология получения сверхчистых кварцевых световодов в интересах оптической коммуникации (технология MCVD) с уровнем неактивных потерь менее 1 дБ на километр. С другой стороны были разработаны мощные полупроводниковые диоды надежно работающие при комнатной температуре (на основе стуктур MQW).

Первыми удачное сочетание активированных кварцевых световодов и полупроводниковой накачки продемонстрировали Пэйн с сотрудникамии из университета Саусгемптон [4] (D.N.Payne, University of Southampton). При этом они использовали в качестве лазерной среды карцевые световоды аналогичные световодам разработанным для телекоммуникации, одномодовая световедущая жила которых дополнительно легировалась различными редкоземельными ионами (Nd³⁺, Er³⁺ и др.), а в качестве накачки одномодовые диоды на 0.8 мкм.

С этого момента начался бурный рост числа работ посвященных разработкам новых типов волоконных лазеров и усилителей с полупроводниковой накачкой, чему так же способствовало появление большого количества интегральных волоконно-оптических компонентов, таких как волоконные разветвители и мультиплексоры, волоконные брегговские решетки, волоконные зеркала, волоконные изоляторы, волоконные поляризаторы и т.д., что позволило обойтись без использования в конструкции волоконных лазеров традиционных объемных элементов и полностью избавиться от всевозможных настроек и юстировок лазерного резонатора.

В России первые работы по волоконным лазерам и усилителям были начаты в Институте Общей Физики Академии Наук (группа Дианова) и в Институте Радиотехники и Электроники Академии Наук (группа Гапонцева).

Первое время всем казалось что область применения волоконных лазеров ограничится областью телекоммуникации (волоконные усилители) и вспомогательной ролью маломощных лазерных источников для применения в метрологии, спектроскопии, сенсорных системах и т.д.

Однако нами в 1991 году было теоретически и экспериментально показано[5], что волоконные лазеры по совокупности своих свойств могут быть использованы в качестве источников мощного лазерного излучения с уровнем мощности десятки и сотни ватт непрерывного излучения.

Такой оптимистический по тем временам прогноз был основан на анализе уникальных свойств кварцевых волоконных световодов, основного кандидата в качестве среды для мощных волоконных лазеров. В первую очередь это фантастическая лучевая прочность кварцевого волокна изготовленного по технологии MCVD достигающая нескольких десятков гигаватт через квадратный сантиметр, а так же идеальные тепловые характеристики волоконного лазера, как за счет свойств самого кварцевого стекла, так и благодаря уникальному отношению площади поверхности к объему активной среды. Все это послужило толчком для последующего развития класса мощных волоконных лазеров.

Технология волоконных лазеров.

Простейший волоконный лазер представляет собой отрезок волоконного световода длиной от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, одномодовая световедущая жила которого дополнительно легирована ионами редкоземельных элементов такими как Nd, Er, Yb, Tm, Ho и др. Накачка осуществляется через один из торцев световода непосредственно в активированную жилу, на торцах же формируются зеркала лазерного резонатора (рис 1а).

Основной недостаток такого лазера, это малая мощность накачки и соответственно полезной генераци, так как для эффективного ввода излучения в одномодовую жилу активированного световода необходимо использовать маломощный одномодовый диод накачки.

Частично эту проблему удалось решить с переходом на так называемые двухоболочечные световоды (Double Clad Fibers), в которых с помощью дополнительного покрытия с низким показателем преломления образуется второй, уже многомодовый световод для ввода излучения накачки (рис 1б). Процесс накачки при этом напоминает то что происходит в обычных твердотельных лазерах с ламповой накачкой в зеркальной камере. Излучение накачки многократно отражаясь от стенок многомодового волновода постепенно поглощается центральной активированной жилой накачивая активную среду. Только в отличии от обычной лазерной головки в световоде эффективность этого процесса приближается к 100 %.

Такой способ накачки позволяет с очень высокой эффективностью (близкой к теоретическому пределу) преобразовывать «некачественное» излучение мощного многомодового лазерного диода в «качественное» излучение одномодового волоконного лазера.

Однако и такая схема накачки не лишена недостатков: во-первых область накачки ограничена размерами торца световода, а во вторых тот факт что один из торцев световода «занят» под накачку существенно ограничивает возможности конструирования более сложных типов лазерных резонаторов и тем более использование усилительных возможностей активированных световодов.

Следующим шагом в развитии мощных волоконных лазеров была разработка технологии многомодовой накачки через боковую поверхность световода рис 1в. Это позволило освободить торцы световода и использовать их только для формирования лазерного резонатора, что в сочетании с большим набором различных типов интегральных волоконных элементов (волоконные разветвители и мультиплексоры, волоконные брегговские решетки, волоконные зеркала, волоконные изоляторы, волоконные поляризаторы, волоконные фильтры и т.д.) дает возможность на основе волоконной активной среды конструировать любые типы лазеров, а именно:

непрерывные одномодовые лазеры в том числе однополяризационные и одночастотные, импульсные волоконные лазеры работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а так же с произвольным режимом модуляции, перестраиваемые волоконные лазеры, сверхлюминесцентные волоконные лазеры и т.д.

Литература.

[1] C.J.Koester and E.Snitzer, Appl.Opt.,3 (1964) 1182.

[2] G.C.Holst, E.Snitzer and R.Wallace, Proc.IEEE,QE-5(1969)342.

[3] J.Stone and C.A.Barrus, Appl.Phys.Lett.,23(1973)388

[4] R.J.Mears, L.Reekie, S.B.Poole and D.N.Payne,Electron.Lett.,21(1985)738

[5] V.P.Gapontsev and I.E.Samartsev OSA Proceedings on Advanced Solid- State Lasers, Vol. 6, pp. 258-261,