Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния

Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР-рамановские лазеры) позволяют эффективно преобразовывать лазерное излучение накачки в излучение на более низких частотах, используя явление вынужденного комбинационного рассеивания света в волоконном световоде. Таким образом, создаются лазеры с различными новыми диапазонами волн в широком диапазоне частот.

Современные волоконные световоды представляют собой уникальную среду для реализации ВКР лазеров: низкие оптические потери позволяют использовать большие длины световодов, применение различных стекол, дает возможность выбора величины частотного сдвига стоксова излучения.

Первые ВКР-лазеры имели гибридные конструкции, содержавшие как волоконные, так и объемные элементы. Необходимость согласования элементов и юстировки лазеров затрудняет работу с ними, снижая эффективность и ограничивая области их применения.

Применения брегговских решеток для создания обратной связи существенно упростило конструкцию ВКР-лазеров, подняло их эффективность и обеспечило создание многокаскадных лазеров – преобразователей. Схема ВКР-лазера полностью волоконной конструкции приведена на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 – Схема ВКР – лазера

Как видно из рисунка ВКР-лазер состоит из волоконного световода и набора брегговских решеток с резонансными длинами волн, соответствующим стоксовым сдвигам в материале световода. При этом брегговские решетки, соответствующие промежуточным длинам волн, имеют коэффициент отражения, близкий к 100%. Для получения излучения с длиной волны 1,48 мкм при использовании германосиликатного световода требуется пять каскадов преобразования.

Упростить конструкцию можно, если использовать в качестве активной среды ВКР-лазера световода с сердцевиной легированной оксидом фосфора. В спектре ВКР-усиления такого световода содержится узкая полоса с центральной длиной волны, сдвинутой на 1330см^-1, что в три раза больше, чем сдвиг в максимуме усиления для германосиликатного световода.

В работе [54] предложен ВКР-лазер работающий на двух длинах волн, схема приведена на рисунке 5.19.

Рисунок 5.19 – Схема двухволнового ВКР-лазера

Здесь резонатор лазера образован лишь одной парой решеток, что позволяет предполагать взаимную когерентность излучения на разных длинах волн. Полупроводниковый лазер с длиной волны около 980 нм и максимальной мощностью 4 Вт используется для накачки волоконного лазера на основе световода с двойной оболочкой, легированного ионами Yв³⁺ .

Резонатор Yв³⁺ - лазера сформирован двумя брегговскими решетками – входной с коэффициентом отражения R = 1 и выходной R = 0,2.

Иттербиевый лазер имеет длину волны излучения 1080 нм и максимальную мощность 2,5 Вт. Излучение вводится в ВКР-лазер на основе волоконного световода с сердцевиной из германосиликатного стекла, молярная концентрация двуокиси германия в сердцевине составляет около 4%.

Волоконные ВКР- лазеры находят широкое применение в качестве источников накачки рамановских волоконных усилителей и улучшения их шумовых характеристик.

Динамику развития волоконных лазеров иллюстрирует рисунок 5.20.

Рисунок 5.20 – Динамика развития волоконных лазеров

Спектральные диапазоны работы волоконных лазеров приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Диапазоны работы волоконных лазеров [38].