Волоконная оптика значительно преобразила сферу телекоммуникаций, существенно увеличив пропускную способность каналов связи [1]. Это стало возможным благодаря достижениям в создании одномодовых волоконных световодов с малыми потерями в ближней инфракрасной области спектра с минимумом потерь а~0,2 дБ/км вблизи длины волны Х-1550 нм. Одномодовый волоконный световод представляет собой волокно из кварцевого стекла, на оси которого сформирована область с повышенным показателем преломления — сердцевина, параметрами которой и определяется реализация одномодового режима распространения излучения в заданном спектральном диапазоне. При ступенчатом профиле показателя преломления одномодовый режим распространения излучения реализуется для длин волн больших т.н. длины волны отсечки Лс при условии 2,4Лс = 2лид//722 — «, 2, где, а радиус сердцевины, п/ и п2 — показатели преломления сердцевины и кварцевой оболочки типичным диаметром ?>= 125 мкм (см. Рис.1).
О 2а О.
Пэфф А.
Рисунок 1. Схематическое изображение волоконной брэговской решётки в одномодовом волокне.
Типичные параметры телекоммуникационных волокон а=4,1 мкм, «/=1,465 и П2~ 1,47 обеспечивают одномодовый режим для А-1550 нм. Добавка показателя преломления в сердцевине п2 «0,005 создается за счет примеси диоксида германия с концентрацией — 3 мол. % веОг, который в свою очередь вносит минимальные примесные потери.
Волоконной брэгговской решёткой (ВБР) называется участок волоконного световода, в сердцевине которого создано периодическое изменение показателя преломления, см. Рис. 1. Основным спектральным свойством такой структуры, определяющим использование ВБР, является узкополосное отражение на заданной длине волны. Резонансная, или т.н. брэгговская, длина волны определяется величиной и периодом изменения показателя преломления где Л — период структуры, пэффэффективный показатель преломления.
Впервые о формировании ВБР в волоконном световоде докладывали в [2]. Было обнаружено, что при длительном воздействии излучения аргонового лазера с длиной волны 488 нм в сердцевине световода формируется периодическое изменение показателя преломления, соответствующее периоду стоячей волны излучения. Позже [3] было показано, что фоточувствительность волоконных световодов к синему излучению имеет двухфотонную природу и процесс записи решёток более эффективен при использовании ультрафиолетового (УФ) излучения.
Л,&bdquo- = 2 Ли. эфф 9 О.
60 хЮОО.
502 40- 240 нм Л.
I 30 / | 20- /.
200 250 300 350 400 Длина волны, нм.
Рисунок 2. Спектр поглощения германосиликатного волоконного световода.
Механизм фоточувствительности изучался во многих работах, см. монографии [4,5], обзор [6] и цитируемую там литературу. Было установлено, что пик на длине волны -240 нм в спектре поглощения германосиликатного стекла (рис.2) соответствует синглет-синглетным переходам германиевых кислородно-дефицитных центров (ГКДЦ). В спектре поглощения также присутствует более слабый синглет-триплетный пик с центром на ~330 нм.
Предполагается, что разрыв связей германия с кислородом и соответственно образование центров окраски (ГКДЦ) приводит к изменению спектра поглощения и, как следствие этого, к изменению показателя преломления вследствие соотношения Крамерса-Кронига. При этом, за счёт передачи возбуждения (поглощенной энергии) и перераспределения механических напряжений в образце, происходит уплотнение сетки стекла, что также даёт вклад в изменение показателя преломления.
В качестве источников ультрафиолетового излучения используются разные типы лазеров [4−6]. В настоящее время наилучшими характеристиками (длина когерентности, стабильность, качество пучка) для записи ВБР в германосиликатных волоконных световодах обладает излучение с длиной волны 244 нм, получаемое при удвоении частоты непрерывного аргонового лазера, а наиболее распространенными и относительно дешёвыми являются импульсные эксимерные лазеры с длиной волны 248 нм [4−6].
Изменение показателя преломления стандартного телекоммуникационного волоконного световода в процессе записи ВБР ограничено величиной Ап-Ъ-Ш5 [4−6]. При таких значениях наведённого показателя преломления реализация высокоотражающих ВБР представляет серьёзную технологическую проблему из-за необходимости записи длинных структур. Поэтому были предприняты попытки увеличить фоточувствительность волоконных световодов, используемых для записи.
Для этих целей были разработаны специальные волоконные световоды, составы стёкол которых обладают повышенной фоточувствительностью. Повышение концентрации Се02 в них приводит и к увеличению концентрации ГКДЦ. При этом наведенный показатель преломления примерно линейно растёт с концентрацией [7]. Использование волоконных световодов с концентрацией веОг-ЗО мол. % позволило получить изменение показателя преломления в процессе записи ВБР на величину Ап> 10″ 4. Повышение концентрации ГКДЦ было достигнуто также путём изготовления волоконных световодов в бескислородной среде. Соответствующее изменение показателя преломления составило Ап~8−10″ 4 [8]. Использование добавки бора позволило, с одной стороны, повысить фоточувствительность за счёт больших внутренних механических напряжений, а с другойсогласовать числовую апертуру со стандартным телекоммуникационным волоконным световодом. Получено изменение показателя преломления в процессе записи ВБР на величину Ап~8-Ю'4 [9]. Внедрение азота позволило удвоить поглощение на длине волны -240 нм и получить изменение о показателя преломления на уровне Ап~2−10″ [10].
Наиболее простым способом повышения фоточувствительности является процесс насыщения сетки стекла молекулярным водородом [И]. Это достигается посредством диффузии при выдерживании волоконного световода в атмосфере водорода под большим давлением (более 100 бар) и при не очень высокой температуре (до 100° С), чтобы исключить взаимодействие водорода с сеткой стекла. В процессе записи ВБР в таком волоконном световоде под действием ультрафиолетового излучения происходит диссоциация молекулярного водорода с последующим встраиванием, в сетку стекла с образованием связей О-Н. В результате практически все атомы германия образуют ГКДЦ и участвуют в процессе записи. В стандартном волоконном световоде, подвергнутом холодной водородной обработке, удалось получить изменение показателя преломления.
— у под действием ультрафиолетового излучения на величину Ап~ 10~~ [12].
Сложность физических процессов, определяющих изменение показателя преломления волоконного световода в процессе записи ВБР, вынужденно приводит к типологическому описанию его динамики. В частности, выделяют I тип фоточувствительности, который наблюдается в германиевых волоконных световодах с концентрацией веОг менее 20 мол. %, связанный с описанным выше процессом последовательного поглощения света ГКДЦ и уплотнением сетки стекла в сердцевине. В этом случае динамика наведённого показателя преломления степенным образом зависит от дозы непрерывного ультрафиолетового излучения с показателем степени у.
— 0,3−0,4 при плотности мощности ~10 Вт/см [13]. При водородной обработке, которая применяется в данной работе, наблюдается похожая динамика, при значительно большей величине наведённого показателя преломления. Другие типы фоточувствительности связаны с внутрицентровыми превращениями (тип 0), либо процессами разрежения и плавления сетки на границе сердцевина-оболочка (тип II, тип На) и имеют более сложную динамику, см. напр. [4−6].
Анализ зависимости спектральных и дисперсионных характеристик ВБР от формируемой в волоконном световоде брэгговской структуры [14] позволяет определить техническую задачу по разработке адекватных способов записи таких структур в волоконном световоде. В основополагающей работе [15] предложено формировать ВБР посредством размещения волоконного световода в область интерференции ультрафиолетовых пучков, рис. 3. Период структуры наведённого показателя преломления, и соответственно резонансную длину волны ВБР, можно варьировать посредством выбора угла сведения ультрафиолетовых пучков.
Л = (2).
2вт (-) где Лт — длина волны ультрафиолетового излучения, 0 — угол сведения ультрафиолетовых пучков. е К л.
Рисунок 3. Принципиальная схема интерференционных схем записи ВБР.
В исследовательской практике предложено и реализовано несколько схем подобного рода, см. [4−6] и цитируемую там литературу. Отметим некоторые из них. При делении волнового фронта на амплитудном фильтре пучки, проходя эквивалентные оптические пути, сводятся посредством зеркал на участке волоконного световода. Использование цилиндрических линз позволяет существенно увеличить плотность мощности ультрафиолетового излучения в сердцевине волоконного световода. Использование дополнительного зеркала в одном из плеч позволяет восстановить взаимную ориентацию волновых фронтов, что важно при использовании источников ультрафиолетового излучения с малой пространственной когерентностью. Использование фазовой маски для разделения волнового фронта позволяет упростить предыдущую схему записи ВБР.
Схемы с пространственным делением волнового фронта представлены интерферометром Ллойда и призменным интерферометром с полным внутренним отражением. В интерферометре Ллойда часть (половина) пучка отражается наклонным зеркалом и перекрывается с другой половиной пучка. Призменный интерферометр представляет собой призму из плавленого кварца с прямым углом, на который направляется пучок ультрафиолетового излучения. Половина пучка отражается за счёт полного внутреннего отражения от одной из граней и перекрывается со второй половиной пучка на выходе из призмы через вторую грань. В области интерференции размещается волоконный световод. Данный интерферометр обладает большей устойчивостью к внешним возмущениям. Однако отсутствие оси симметрии затрудняет настройку интерферометра для записи ВБР на требуемую резонансную длину волны. Интерферометры с пространственным делением пучка имеют меньшее количество юстируемых элементов, хотя и несколько ограничены в сравнении с интерферометрами с амплитудным делением волнового фронта в части предъявляемых требований к источнику ультрафиолетового излучения.
Наиболее технологичным способом записи ВБР представляется схема записи с фазовой маской, которая представляет собой пропускающую дифракционную решётку, делящую пучок на +1 и -1 порядки дифракции, интерферирующие непосредственно за фазовой маской. При этом нулевой порядок должен быть подавлен. Специально созданные для этих целей фазовые маски с заданным периодом обеспечивают требуемые спектральные характеристики записываемых ВБР с нужной брэгговской длиной волны. Кроме того, с помощью сдвига фазовой маски в процессе записи можно формировать фазовый сдвиг записываемой структуры показателя преломления. Именно этот способ записи был взят за основу при выполнении данной работы.
Важно отметить, что интерференционные технологии формирования ВБР приводят к разделению наведённого показателя преломления на две части, которые определяются видностью интерференционной картины где щпоказатель преломления волоконного световода, пас (г) — модуляция наведённого показателя преломления волоконного световода, гомогенная составляющая (среднее значение) наведённого показателя преломления волоконного световода.
3).
Принципиальным моментом при использовании рассмотренных интерференционных схем является то, что пространственное распределение наведённого показателя преломления вдоль волоконного световода определяется поперечным профилем ультрафиолетового пучка, что определяет форму спектра ВБР. Для преодоления данного ограничения были реализованы схемы записи со сканированием, которые позволяют сформировать наперёд заданный (т.н. аподизированный) профиль изменения показателя преломления вдоль волоконного световода. Эта технология открыла новые возможности для создания и оптимизации волоконно-оптических элементов, в частности, фильтров, компенсаторов дисперсии, лазеров с распределённой обратной связью.
Под аподизацией понимают изменение наведённого показателя преломления вдоль ВБР пзфф{=) по специальному закону с результирующим эффектом на спектральные характеристики ВБР. При этом важно изменение как переменной, так и постоянной составляющей, см. формулу (3). Эта задача возникла при применении ВБР для оптической фильтрации в системах оптической связи со спектральным разделением каналов (WDM), где необходимо оптимизировать характеристики фильтров. Полезным для понимания этого подхода является рассмотрение двух примеров.
В случае слабоотражающих решёток (с коэффициентом отражения R" 1) по теории возмущений спектр ВБР является Фурье-образом функции модуляции показателя преломления. Таким образом, при П-образном профиле наведённого показателя преломления ВБР, форма спектра будет описываться sinc-функцией, имеющей выраженные боковые резонансы. При гауссовом профиле наведённого показателя преломления, форма спектра будет описываться гауссовой функцией (без боковых резонансов). В целом можно сказать, что существует некоторое множество функций, описывающих изменение наведённого показателя преломления вдоль ВБР и уменьшающих величину боковых резонансов [16].
Однако при больших коэффициентах отражения на форму спектра влияет эффективное формирование резонатора Фабри-Перо [17]. А именно, в соответствии с формулой (1) на краях ВБР с гауссовым профилем наведённого показателя преломления резонансная длина волны смещена в коротковолновую область спектра относительно резонансной длины волны в центральной области ВБР, вследствие неоднородности среднего значения наведенного показателя преломленияп (/сО) вдоль ВБР. Это приводит к формированию резонансной структуры в коротковолновой область спектра ВБР. Для устранения этой структуры в спектре необходимо обеспечить постоянство величины среднего показателя преломления вдоль ВБР: пис (г)=сот!
Как было сказано выше, для аподизации можно использовать продольное сканирование пучка. Впервые продольное сканирование было реализовано в схеме записи с фазовой маской. В работе [18] излучение второй гармоники аргонового ионного лазера сканировалось вдоль фазовой маски посредством перемещения направляющего зеркала на 4 см с постоянной скоростью. Был записан узкополосный фильтр с шириной спектра 0,029 нм и коэффициентом отражения Я=64%. В работе [19] дополнительной засветкой в центр уже записанной подобным способом ВБР был сформирован фазовый сдвиг, обеспечивший реализацию узкополосного пропускающего фильтра шириной —100 МГц. В работе [20] за счёт двух последовательных сканирований (с фазовой маской и без) удалось реализовать аподизацию ВБР. При сканировании с фазовой маской была обеспечена требуемая модуляция наведенного показателя преломления. При втором сканировании было достигнуто постоянство вдоль ВБР результирующего среднего значения наведённого показателя преломления.
Определённую черту под этими исследованиями подвело развитие технологии создания фазовых масок с промодулированной дифракционной эффективностью, внедрёнными фазовыми сдвигами, «чирпованных» фазовых масок с переменным периодом [21]. Однако заметный интерес до сих пор представляет создание более гибкой технологии реализации заданных спектральных характеристик ВБР, не фиксированных жёстко параметрами фазовой маски.
Так использование пьезокерамики позволяет изменять относительное положение фазовой маски и волоконного световода в процессе записи, таким образом формировать в ВБР контролируемые фазовые сдвиги [22]. Более того, в процессе сканирования можно изменять амплитуду относительных смещений волоконного световода и фазовой маски (амплитуду пьезокерамики) от половины периода ВБР до нуля. Это позволяет изменять величину модуляции показателя преломления, при этом среднее значение наведённого показателя преломления вдоль ВБР остаётся постоянным (при постоянной скорости сканирования). Таким образом, молено реализовать наперёд заданный профиль модуляции наведённого показателя преломления. Дальнейшее развитие этот метод получил в работе [23]. Волоконный световод перемещается подвижкой на воздушной подушке, контролируемой интерферометрическим способом с точностью до. 0,6 нм, через область интерференции двух ультрафиолетовых пучков. Зеркала интерферометра движутся с такой же скоростью, что и волоконный световод, посредством пьезокерамики, что достигается подачей пилообразного напряжения. Достигнуты точности позиционирования интерференционной структуры ~1 пм. Фазовыми задержками в этом сигнале формируют фазовые сдвиги в ВБР. Углом сведения ультрафиолетовых пучков определяется резонансная длина ВБР.
Ещё один метод [24] интересен тем, что он позволяет реализовать большинство технологических достижений в области записи ВБР и при этом, по утверждению авторов, более прост в реализации, чем рассмотренный вышеВ этой схеме в одно из плеч интерферометра-вводится полуволновая пластинка, поворотом которой контролируется состояние поляризации одного из ультрафиолетовых пучков, чем и задаётся видность интерференционной картины, а поворотом на девяносто градусов формируется фазовый сдвиг на п. Волоконный световод движется через область интерференции ультрафиолетовых пучков на подвижке, контролируемой интерферометром с точностью -2,5 нм. Запись производится пошагово, для чего используется прерыватель.
Для реализации заданных характеристик ВБР (в т.ч. с фазовым сдвигом) в данной работе будет реализован метод фазовой маски с продольным сканированием пучка и рассмотрены новые возможности аподизации при записи гауссовым пучком.
ВБР нашли широкое применение в различных областях науки и техники. В частности, они используются в качестве элементов резонатора (селективные отражатели, фильтры) при создании волоконных лазеров. Со времени первого применения ВБР при создании волоконного лазера [25] данная область существенно преобразилась. Применение ВБР позволило исключить при их создании неволоконные оптические элементы и в полной мере реализовать уникальные качества волоконных лазеров.
Волоконный лазер, простейший вариант которого представлен на рис. 4, представляет собой волоконный световод 2, сердцевина которого легирована редкоземельными элементами, образуя тем самым активную среду. Активная среда ограничена парой ВБР 1, с совпадающими резонансными длинами волн и образующими таким образом резонатор волоконного лазера. Оптическая накачка активной среды осуществляется обычно лазерным диодом 3 с волоконным выходом.
Рисунок 4. Принципиальная схема волоконного лазера: 1- согласованные по резонансной длине волны ВБР, 2- волоконный световод, легированный редкоземельными элементами, 3- диод накачки. 3.
Волоконные лазеры обладают уникальной комбинацией характеристик. Использование одномодовых волоконных световодов обеспечивает высокое качество пучка волоконного лазера. Развитая поверхность на единицу объёма активной среды существенно упрощает теплоотвод, обычно обеспечиваемый конвективным движением воздуха. Использование ВБР исключает необходимость юстировки оптической схемы волоконного лазеравносит минимальные оптические потери в резонаторупрощает стабилизацию длины волны излучения. Этот тип лазера обладает высоким (десятки процентов) к. п.д. от сети. Реализованы различные активные среды на ионах N4 УЪ, Ег, Тт, Но, В1- и соответственно получена генерация внутри их спектральных контуров усиления.
При создании мощных (десятки и сотни ватт одномодового излучения) одномодовых волоконных лазеров развита технология активных волоконных световодов с двойной оболочкой [26, 27], позволяющая подводить к активной среде (одномодовой сердцевине) на несколько порядков больший уровень мощности накачки при вводе излучения многомодовых лазерных диодов в первую оболочку. Объединение излучения нескольких лазерных диодов осуществляется т.н. объединителями накачки — многомодовыми ответвителями [28, 29]. Задача упрощается при использовании световодов с многоэлементной первой оболочкой [30].
Помимо одномодовых в активных волокнах реализованы одночастотные волоконные лазеры на основе схем с ускополосными распределёнными брэгговскими отражателями [31, 32] и лазеры с распределённой обратной связью (РОС) на основе длинных ВБР со сдвигом фазы в центре [33, 34].
Еще один тип активной средыреализуется в пассивном волокне за счёт вынужденного комбинационного рассеяния при распространении излучения накачки [35, 36]. Длина волны генерируемого излучения определяется спектром комбинационного рассеяния материала сердцевины волоконного световода. Стоксов сдвиг спектра комбинационного рассеяния германиевого волоконного световода составляет 440 см" 1 [35]. У волокон, легированных фосфором, присутствует также компонента с большим сдвигом -1300 см" 1 [36]. Генерация стоксовых компонент достигается формированием резонатора парой ВБР с соответствующей брэгговской длиной волны. Формирование резонаторов для второй, третьей и т. д. стоксовых компонент и использование германои фосфоросиликатных волокон позволяет получить на сегодняшний день практически любую длину генерации ВКР-лазера в спектральном диапазоне 1,1−2,2 мкм [37, 38].
Чувствительность резонансной длины волны ВБР к механическим нагрузкам и изменениям температуры предоставляет возможность создания перестраиваемых ВБР. Зависимость резонансной длины волны ВБР от изменения температуры АТ и аксиального растяжения ЛЬ.
И, =2 п>! ?> дЬ / ^ ^ АТ (4) эт }фф дт у в основном определяется коэффициентом термического расширения и термооптическим коэффициентом волоконного световода, с одной стороны, и фотоупругости, с другой:
ЫВр=ЛБр{-ре)е (6) где рс=0,22 — коэффициент фотоупругости кварцевого волоконного световода, е=ЛЬ/Ь относительное удлинение волоконного световода, <ХгЧ), 55- Ю" 6 °К'1 — коэффициент термического расширения плавленого кварца, ап~Ь,.
6−10″ 6 0К1 — термооптический коэффициент, зависящий от состава стекла сердцевины волоконного световода и имеющий слабую зависимость от температуры. Свойство чувствительности брэгговской длины волны ВБР к деформациям и температуре [4−6] обуславливает возможность применения ВБР в качестве чувствительных элементов волоконных сенсорных систем и селекторов длины волны в перестраиваемых волоконных лазерах. N.
Типичная зависимость сдвига резонансной длины волны ВБР от температуры в диапазоне от 5 до 85 °C носит линейный характер с нормированной чувствительностью 6,67−10″ 6 °К" ' [39]. При этом необходимо учитывать термический распад наведённого показателя преломления, тем большего, чем выше температура [4−6]. Выдерживание ВБР, записанных в волоконных световодах, подвергнутых холодной водородной обработке, при температуре 200 °C в течение 80 часов приводит к уменьшению наведённого показателя преломления и, соответственно, к увеличению коэффициента пропускания на резонансной длине волны с -31 дБ до -22 дБ [40]. Это, с одной стороны, ограничивает максимальный диапазон перестройки резонансной длины волны ВБР посредством изменения её температуры. С другой, требует использования предварительного нагрева (отжига) ВБР для обеспечения при рабочей температуре требуемого времени жизни возбуждённых в процессе записи ВБР состояний, обеспечивших изменение показателя преломления. Параметры отжига определяются в соответствии с.
4Н выражением /2 =е2, где ¿-г время отжига, требуемое время жизни,.
9 1.
— температура отжига, Тг рабочая температура, <2=1,31−10' К' и 7>=294ПС-эмпирические коэффициенты [41].
Применение ВБР при создании перестраиваемого волоконного лазера продемонстрировано в [42]. Парой ВБР был сформирован резонатор неодимового волоконного лазера. Изменением температуры ВБР достигнута перестройка длины волны генерации лазера на 0,8 нм.
Использование специального полимерного покрытия позволяет увеличить температурную чувствительность ВБР в 23 раза [43]. Использование такой ВБР в качестве селектора в кольцевом эрбиевом лазере позволило получить диапазон' перестройки 41 нм с нормированной чувствительностью ~200−10'6 °К" '.
В целом хотелось бы отметить, что это медленный способ перестройки и в ограниченных пределах в сравнении с методом перестройки посредством аксиального сжатия-растяжения волоконного световода.
Растяжение волоконного световода с записанной в нем ВБР позволяет создавать устройства с достаточно высоким быстродействием. При этом вносятся минимальные изменения в спектральные характеристики, обусловленные неоднородностью механического воздействия на ВБР. Однако обычные операции с волоконным световодом в процессе записи ВБР приводят к уменьшению прочности волоконного световода с 6 ГПа до 0,7 ГПа, что позволяет получить диапазон ~11 им для перестройки резонансной длины волны ВБР в области 1,55 мкм и реализации на её основе перестраиваемого кольцевого эрбиевого лазера [44]. Использование технологии очистки волоконного световода от полимерной оболочки серной кислотой, запись ВБР непрерывным ультрафиолетовым излучением (244 нм) и последующее восстановление защитной полимерной оболочки, позволяет сохранить первоначальную прочность волоконного световода и т.о. достичь диапазона перестройки одномодового эрбиевого кольцевого лазера на 40 нм (1522−1562 нм) деформацией волоконного световода с записанной ВБР [45]. Используя для записи ВБР пик триплетного поглощения германосиликатного волоконного световода, возможно производить запись ВБР прямо через защитную полимерную оболочку волоконного световода, которая на этой длине волны в основном прозрачна, что также позволяет сохранить первоначальную прочность волоконного световода [46]. Для этого используется излучение УФ аргонового лазера с генерацией в области 330 нм.
Кварцевый волоконный световод имеет высокую прочность на сжатие с пределом разрушения г—0,2, что на порядок больше порога разрушения при растяжении [47]. На сегодняшний день существует два распространённых подхода обеспечивающих аксиальное сжатие волоконного световода с ВБР, и обеспечивающих тем самым перестройку резонансной длины волны последней. Первый основан на том, что волоконный световод с ВБР размещается в двух сцентрированных керамических обоймах, и таким образом ограничен в поперечных перемещениях. Для обойм конструктивно предусмотрено аксиальное перемещение друг относительно друга. Выборкой зазора между их торцами определяется возможность продольного сжатия волоконного световода. Волоконный световод приклеивается в двух точках к обоймам. Посредством изменения зазора между обоймами обеспечивается относительное сжатие/растяжение волоконного световода. Второй подход основан на перераспределении механических напряжений при изгибе балки. Волоконный световод с ВБР при этом жестко приклеивается к деформируемой поверхности балки и при её изгибе возникают аксиальные напряжения в волоконном световоде.
Перестраиваемый лазер, основанный на методе сжатия волоконного световода в обойме, продемонстрирован в работе [47]. Одночастотный эрбиевый лазер с узкополосными распределёнными брэгговскими отражателями перестраивался в диапазоне 1525−1557 нм с выходной мощностью 3 мВт. Также были представлены работы по созданию перестраиваемых фильтров на ВБР [48, 49]. Были достигнуты диапазоны перестройки 45 нм в области 1,55 мкм. При этом использование пьезопреобразователей позволило достичь скоростей перестройки 21 нм/мс.
Использование метода перестройки посредством изгиба балки для перестраиваемых фильтров позволило достичь рекордных значений диапазона перестройки 110 нм в области 1,55 мкм (е~-0,09) [50]. Однако при использовании подобных перестраиваемых ВБР в качестве селективного элемента эрбиевых волоконных лазеров с линейным резонатором диапазон перестройки не превышал 35 нм (1532−1567 нм) при мощности ~40 Вт [51]. Для неодимового лазера достигнут диапазон перестройки 15 нм (911−926 нм) при выходной мощности до 0,8 Вт [52]. Хотелось бы отметить работу [53], где этот метод был применён для перестройки длины волны генерации эрбиевого РОС-лазера длиной 5 см. Генерация была получена в диапазоне.
1524−1531 нм, что свидетельствует о малых механических неоднородности, вносимых при этом методе перестройки. В работе [54] продемонстрировано применение перестраиваемой ВБР в качестве селективного элемента ВКР-лазера с областью перестройки 1543−1558 нм.
Таким образом, реализация перестраиваемых волоконных лазеров является актуальной задачей. Перспективы перестраиваемых волоконных лазеров будут определяться шириной области перестройки, стабильностью их выходных характеристик, динамическими характеристиками процесса перестройки. Применение ВБР в качестве селектора длины волны позволяет реализовать перестраиваемые и/или одночастотные волоконные лазеры в полностью волоконной схеме, отличающейся нечувствительностью к внешним возмущениям, стабильностью параметров и отсутствием юстируемых элементов. Для реализации лазеров с большим диапазоном перестройки и узкой линией генерации требуется разработка перестраиваемых ВБР со специальными характеристиками, что являлось основной целью данной диссертационной работы. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
• разработать технологию записи ВБР со специальными свойствами;
• разработать методы перестройки ВБР для их интегрирования в волоконный лазер в полностью волоконной схеме;
• исследовать изменение спектральных характеристик ВБР в процессе перестройки;
• применить перестраиваемые ВБР для перестройки частоты различных типов волоконных лазеров: иттербиевого, эрбиевого и ВКР-лазера;
• реализовать и исследовать характеристики ВБР со сдвигом фазы, обеспечивающих селекцию одной продольной моды в схеме РОС-лазера;
• исследовать возможности применения перестраиваемых и специальных ВБР в сенсорных системах.
Содержание диссертации изложено в четырёх главах.
В главе 1 представлено описание технического и технологического инструментария, применяемого в данной работе. В параграфе 1 подробно описан источник ультрафиолетового излучения. Отмечены параметры излучения, определяющие процесс записи ВБР. Показаны процессы, определяющие эффективность внутрирезонаторного удвоения частоты излучения аргонового лазера. В оригинальной части работы показано, что увеличение апертуры газоразрядной трубки приводит к увеличению эффективности генерации второй гармоники. В параграфе 2 описаны реализованные в работе экспериментальные схемы записи с применением фазовой маски, интерферометров Ллойда и Тальбота и отмечены их возможности для получения требуемых характеристик ВБР. В параграфе 3 описан метод изгибного сжатия, применяемый для создания перестраиваемых ВБР. Предложен оригинальный способ синхронной перестройки ВБР, формирующих резонатор волоконного лазера, позволяющие применить ВБР в качестве перестраиваемого селектирующего длину волны генерации элемента волоконного лазера.
В главе 2 рассмотрены особенности записи ВБР пучком ультрафиолетового излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности. В параграфе 4 рассмотрены общие принципы реализации и измерения спектральных характеристик ВБР. В параграфе 5 продемонстрировано, что гауссов профиль интерферирующих пучков естественным образом приводит к подавлению величины боковых резонансов при небольших коэффициентах отражения, но при больших коэффициентах проявляются резонансы в коротковолновой области спектра, ! связанные с изменением среднего значения показателя преломления, вдоль.
ВБР. Далее предложен и описан простой способ выравнивания среднего показателя преломления вдоль ВБР посредством дополнительной засветки гомогенным гауссовым пучком, приводящей к устранению боковых резонансов плотных решёток. В параграфе 6 описаны эффекты, л ограничивающие применение перестраиваемых ВБР в волоконных лазерах, вследствие изменения их спектральных характеристик при сжатии. Продемонстрирован новый эффект, приводящий к изменению спектральных характеристик ВБР в процессе перестройки её резонансной длины волны в широких пределах, посредством изгибного сжатия волоконного световода. Показано, что в результате создания значительных механических напряжений в волоконном световоде, происходит обратимое изменение амплитуды модуляции наведённого показателя преломления, что и приводит к изменению спектральных характеристик ВБР.
В главе 3 продемонстрировано применение перестраиваемых ВБР при создании перестраиваемых волоконных лазеров. В параграфе 7 продемонстрирован иттербиевый волоконный лазер с перестраиваемой ВБР в качестве селектора длины волны излучения. Достигнут рекордный диапазон перестройки. Показано, что при однородном характере насыщения и большом превышении усиления над потерями достигается постоянство выходной мощности иттербиевого лазера при перестройке длины волны генерации в большом спектральном диапазоне. В параграфе 8 исследована схема полностью волоконного перестраиваемого иттербиевого лазера. Реализован способ синхронной перестройки резонансных длин ВБР, формирующих резонатор лазера. Проанализированы преимущества и ограничения подобного способа перестройки. В параграфе 9 описаны эксперименты по получению перестраиваемой генерации ВКР-лазера в полностью волоконной схеме. Показано, что применение фосфосиликатного волоконного световода имеет принципиальное преимущество перед германосиликатным. Именно, несмотря на необходимость перестраиваемого.
• I лазера накачки, уменьшение ступеней ВКР-преобразования упрощает схему перестраиваемого волоконного лазера (уменьшение числа. перестраиваемых элементов). Показано, что применение предложенного метода синхронной перестройки, сводит число управляющих элементов до одного.
В главе 4 продемонстрировано применение специальных ВБР для реализации одночастотных волоконных лазеров с распределённой обратной связью (РОС) и распределённых сенсорных систем. В параграфе 10 описана методика записи длинных ВБР со сдвигом фазы в активном волокне и контроля параметров одночастотных РОС-лазеров на их основе. В параграфе 11 рассмотрены практические задачи применения ВБР в сенсорных системах. Описан эрбиевый лазер с перестраиваемой ВБР, являющийся основным элементом интеррогатора сенсорной системы из линейки ВБР со спектральным разделением каналов. Продемонстрировано, что использование ВБР со специальными спектральными характеристиками позволяет реализовать рефлектометрический способ опроса сенсоров на основе ВБР с временным разделением каналов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Дополнительная засветка гомогенным гауссовым ультрафиолетовым пучком справа и слева от плотной ВБР, записанной промодулированным гауссовым ультрафиолетовым пучком, приводит к устранению боковых резонансов в коротковолновой части спектра отражения ВБР.
2. Метод изгибного сжатия ВБР применим для перестройки длины волны излучения лазеров на основе легированных волокон в широком диапазоне (>45 нм), при этом возможна синхронная перестройка плотной и выходной ВБР, образующих резонатор лазера.
3. Синхронная перестройка ВБР лазера накачки и ВБР, образующих резонатор ВКР-лазера, позволяет получить плавную перестройку ВКР-лазера на основе фосфосиликатного волокна в широком диапазоне (>50 нм).
4. Контроль спектра отражения^ с помощью перестраиваемого одночастотного лазера позволяет записать длинную ВБР со сдвигом фазы в активном иттербиевом волокне с заданными параметрами и получить одночастотную лазерную генерацию в схеме волоконного иттербиевого РОС-лазера в области 1,1 мкм.
5. Сканирование длины волны волоконного эрбиевого лазера с помощью перестраиваемой ВБР позволяет осуществить опрос ВБР-датчиков со спектральным мультиплексированием измерительных каналов, а реализация спектра ВБР-датчиков в соответствии с формой спектра зондирующего импульса рефлектометра — применить рефлектометрический метод опроса ВБР-датчиков с возможностью их временного мультиплексирования.
Результаты диссертационной работы опубликованы в рецензируемых журналах [55−62] и сборниках трудов конференций [63−67].
Выводы к главе 4.
Таким образом, в данной главе продемонстрировано применение специальных ВБР для реализации волоконных лазеров и сенсорных применений. Показано, что большая вариативность спектральных характеристик ВБР обуславливает их широкое применение в практических задачах. Продемонстрировано, что для реализации этих возможностей необходимо преодолеть различные по своему характеру сложности.
Представлен разработанный инструментарий для реализации и контроля параметров ВБР РОС-лазеров.
Показано, что практические задачи применения ВБР в сенсорных системах требуют уменьшения сложности средств измерения. С одной стороны, это относится к созданию более дешёвых систем измерения, на основе перестраиваемых волоконных лазеров. С другой стороны показано, что применение общедоступных средств измерения также возможно в случае умеренных требований к точности сенсорной системы. Это достигается, в частности, при применении рефлектометрического способа опроса сенсоров на основе ВБР, но при предъявлении специальных требований к спектральным характеристикам последних. Записаны ВБР со специальными характеристиками и измерена их чувствительность к внешним воздействиям при опросе стандартным рефлектометром.
В завершение, приведём основные результаты, полученные в данной работе:
1. Предложен и реализован простой метод гауссовой аподизации спектра ВБР. Пост-засветкой гомогенным гауссовым пучком на расстоянии порядка его радиуса справа и слева от центра ВБР, записанной в световоде промодулированным гауссовым пучком того же радиуса, достигается выравнивание среднего значения наведённого показателя преломления вдоль ВБР, что приводит к подавлению интерференционных эффектов в спектре ВБР.
2. Предложен и реализован метод синхронной перестройки ВБР, формирующих резонатор волоконного лазера, достигающейся заклеиванием ВБР на одной пластине с последующим их аксиальным сжатием за счёт изгиба пластины. Достигнута синхронная перестройка резонансных длин волн ВБР на -3%, при дальнейшем сжатии происходит заметное рассогласование резонансных длин волн, сравнимое по величине с шириной спектра отражения ВБР.
3. Экспериментально установлен факт увеличения коэффициента отражения ВБР в процессе перестройки методом изгибного сжатия. Показано, что эффект обусловлен увеличением амплитуды модуляции наведённого показателя преломления на -50% при относительном сжатии волоконного световода 8−5%.
4. Применение перестраиваемой ВБР в качестве селектора длины волны позволило получить диапазон перестройки более 45 нм длины волны генерации иттербиевого волоконного лазера. Реализованы полностью волоконные схемы перестраиваемых волоконных лазеров с диапазоном перестройки длины волны генерации 40 нм (1065−1105 нм) для иттербиевого лазера, 51 нм (1252−1303 нм) для фосфосиликатного ВКР-лазера, 55 нм (1525−1580 нм) для эрбиевого лазера.
5. При контроле спектра отражения с помощью пробного перестраиваемого лазера в активном иттербиевом волокне записана длинная (~4 см) ВБР со сдвигом фазы с параметрами, позволяющими получить одночастотную лазерную генерацию в области -1,1 мкм в схеме волоконного иттербиевого РОС-лазера.
6. Перестраиваемая ВБР применена для сканирования длины волны генерации волоконного эрбиевого лазера с шагом 4 пм в диапазоне 45 нм, который используется для опроса ВБР-датчиков со спектральным мультиплексированием измерительных каналов. Реализованы ВБР-датчики с оптимальной формой спектра (коэффициент отражения ~2% при ширине ~1 нм), позволяющей применить рефлектометрический метод опроса с возможностью временного мультиплексирования до ~30 датчиков.
Таким образом, поставленные в работе цели достигнуты. Результаты работы привели к развитию исследований, связанных с перестраиваемыми ВБР, волоконными лазерными и сенсорными системами, и цитируются в работах других авторов, см. напр. [104−112].
Автор выражает особую благодарность С. А. Бабину за осуществление научного руководства и С. И. Каблукову за помощь в постановке экспериментов. Автор также выражает благодарность коллективу и сотрудникам лаборатории волоконной оптики С. Р. Абдуллиной, В. А. Акулову, Д. М. Афанасьеву, С. Г. Игнатовичу, М. А. Никулину, М. А. Рыбакову, Д. Е. Чурину, Д. С. Чуркину, И. С. Шелембе за плодотворное сотрудничество.
