С изобретения первых лазеров значительно расширился круг исследований во многих областях физики и оптики. В частности, использование излучения лазера как носителя информации не было оставлено без внимания специалистами по коммуникации. Возможности лазерного излучения для передачи информации в 10 ООО раз превышают возможности радиочастотного излучения, несмотря на то, что лазерное излучение не вполне пригодно для передачи сигнала на открытом воздухе. Таким образом, первоначально лазер представлял собой коммуникационный световой источник, не имеющий подходящей среды передачи.
В 1966 году Чарльз Као и Чарльз Хокхэм, работавшие в английской лаборатории телекоммуникационных стандартов, опубликовали статью о том, что волоконные световоды могут использоваться как среда передачи при достижении прозрачности, обеспечивающей затухание менее 20 дБ/км [1]. Они пришли к выводу, что высокий уровень затухания, присущий первым оптическим световодам (около 1000 дБ/км), связан с присутствующими в стекле примесями. Был также указан путь создания пригодных для телекоммуникации световодов, связанный с уменьшением уровня примесей в стекле. В 1970 году Роберт Маурер со своими коллегами из Corning Glass Works получил первый волоконный световод с затуханием менее 20 дБ/км. Не менее крупный успех был достигнут в области полупроводниковых источников и детекторов, соединителей, технологии передач, теории коммуникаций и других связанных с волоконной оптикой областях. Все это вместе с огромным интересом к использованию очевидных преимуществ волоконной оптики обусловило в середине и конце 70-х годов существенные продвижения на пути создания волоконно-оптических лазерных и телекоммуникационных систем.
Наиболее ярким достижением современной волоконной оптики и квантовой электроники являются волоконные лазеры. Обладая рядом преимуществ по сравнению с традиционными лазерными источниками, волоконные лазеры используются наравне с другими типами лазеров, а в некоторых случаях и заменяют их. К преимуществам волоконных лазеров (см., напр., [2]) можно отнести высокую эффективность (до 80%) преобразования оптической накачки в лазерное излучениевысокое качество выходного пучка, определяемое волноводиыми свойствами световода (М2~1.1−1.5) — отсутствие водяного охлажденияпростота в эксплуатации и надежность ввиду отсутствия объемной оптики, требующей юстировки. Исследования волоконных лазеров получили бурное развитие в конце восьмидесятых годов прошлого столетия, когда было показано, что волоконный световод, легированный ионами Е13+, может использоваться в волоконных усилителях сигнала в диапазоне длин волн 1.53−1.56 мкм [3]. В 1989 году была предложена методика формирования внутри световода волоконных брэгговских решеток (ВБР) [4|. Всё это привело к разработкам различных лазерных конфигураций в полностью волоконном исполнении в отсутствие объемной оптики.
В качестве активного элемента волоконного лазера обычно используется волоконный световод, легированный ионами редкоземельных металлов (УЬ, Ег, N<1, Тт, Но). Данные элементы получили наибольшее распространение в качестве активных добавок волоконных световодов, поскольку обладают излучательным переходом в ближней ИК области спектра, где кварцевое стекло наиболее прозрачно. К тому же ионы редкоземельных металлов не имеют энергетических уровней с малым энергетическим зазором внутри оптического перехода. Так как энергия фо-нонов в кварцевом стекле составляет 400−1100 см1, то наличие таких энергетических уровней приводило бы к безызлучательной релаксации, препятствуя появлению люминесценции. Область люминесценции данных элементов лежит в следующих диапазонах: УЬ3+ — 0.98−1.16 мкмЕг3+ - 1.53−1.6 мкм- - 0.92−0.94 мкм, 1.05−1.1 мкм, 1.34 мкмТш3+ - 1.7−1.9 мкмНо3+ - 1.9−2.1 мкм [5].
Иттербиовые волоконные лазеры (ИВЛ) являются одними из наиболее изучаемых объектов волоконной оптики в последние 10 лет благодаря их высокой эффективности преобразования накачки, достигающей 80% (см., напр., [5]). Привлекательность иттербиевых волоконных лазеров и их потенциал генерировать большую мощность были признаны еще в девяностых годах XX века [6, 7, 8]. Последним достижением является демонстрация 10 кВт выходной мощности непрерывной генерации иттербиевого волоконного лазера в режиме одной поперечной моды [9]. Твердотельные лазеры никогда не показывали таких результатов, а волоконные лазеры на основе активных волоконных световодов, легированных другими элементами, имеют выходную мощность излучения на порядок ниже в одномодовом режиме генерации.
Ионы иттербия в кварцевом стекле имеют предельно простую схему уровней (рис. 1). Помимо основного имеется единственный возбужден.
920 нм 1 1 ~ 976 нм ~ 1060 нм 7/2.
Рис. 1. Схема уровней и переходов между ними для иона УЬ3+ в стекле. ный уровень. Отсутствие других энергетических уровней означает, что в данной системе должно отсутствовать поглощение из возбужденного состояния. Это позволяет существенно увеличить концентрацию активных ионов, что, в свою очередь, позволяет уменьшить длину активной среды лазера. В данной схеме уровней ионы иттербия в кварцевом стекле имеют полосу поглощения в диапазоне длин волн от 900 до 980 нм, где лазерные диоды накачки к настоящему времени имеют достаточно высокую мощность. При этом генерация возможна в диапазоне от 975 [6, 10, 11, 12, 13] до 1180 им [14, 15]. Весь диапазон генерации иттербиевого волоконного лазера разделяют на три диапазона: коротковолновый (975−980 нм и 1020−1060 им), стандартный (1060−1130 им) и длинноволновый (более ИЗО им) [16].
Генерация в коротковолновом диапазоне около 975 им очень привлекательна для таких применений как накачка активных световодов с помощью источника с большой яркостью, что гораздо эффективнее, чем использование многомодовых лазерных диодов. Более того, с помощью удвоения частоты такого излучения можно создать компактный источник в синей области спектра, способный заменить громоздкую и неэффективную конструкцию ионного аргонового лазера. Однако генерация в данном специфическом диапазоне длин волн представляет собой гораздо более сложную задачу, чем генерация на длинах волн >1020 нм. Это связано с тем, что сечение поглощения и сечение люминесценции около 975 нм практически совпадают. Поэтому, чтобы предотвратить перепоглощение, более 50% ионов должны находиться в возбужденном состоянии. О методах получения лазерной генерации в области 975 нм можно узнать в работах [10, 11, 13, 17, 18, 19]. В области ~1020 нм гораздо проще иолучить генерацию, чем около 975 нм. Тем не менее, для этого диапазона генерации характерны свои особенности: для смещения центра линии усиления от 1035 им в коротковолновую область в иттербиевый световод добавляют фосфоросодержащие примеси [20].
Отличительной особенностью длинноволнового диапазона генерации в области более 1130 нм является малое сечение люминесценции. Поэтому возникает сильная конкуренция с более короткими длинами волн около 1080 нм, где происходит усиление спонтанного излучения. Одним из решений является использование того факта, что сечение поглощения зависит от температуры: поглощение увеличивается с увеличением температуры [14, 16, 21, 22]. Увеличение поглощения снижает конкуренцию в области 1080 нм, поэтому появляется возможность генерации в длинноволновой области >1130 нм. Стоит также отмстить, что в диапазоне длин волн >1130 нм генерацию возможно получить с помощью ВКР-лазера [23], ВКР-усилителя [24], либо иттербиевого усилителя [25].
Для иттербиевого волоконного лазера наиболее просто получить генерацию в стандартном диапазоне 1060−1130 нм. Благодаря разработке активных волоконных световодов с двойной оболочкой [26, 27], появилась возможность использовать в качестве накачки мпогомодовые лазерные диоды с волоконным выходом, мощность которых значительно превышает мощность лазерных диодов, излучающих в одной поперечной моде. Тем самым отпала потребность использования объемной оптики для эффективного заведения мпогомодового излучения накачки в активный световод, что значительно повысило надежность волоконных лазеров. Появилась возможность создания лазеров в полностью волоконном исполнении. В схеме волоконного лазера с накачкой в оболочку удалось достичь мощности непрерывной генерации более 1 кВт в одно-модовом режиме [28, 29, 30]. В этом случае основным ограничением для увеличения мощности генерации является квантовый дефект в случае использования традиционных лазерных диодов накачки с длиной волны генерации около 975 нм, который составляет примерно 9%. На высоких мощностях из-за квантового дефекта происходит сильный нагрев усиливающего световода, который может привести к его разрушению.
Другой важной особенностью волокоппоых лазеров является возможность эффективной генерации па любой длине волны внутри диапазона без каких либо значительных изменений самой схемы волоконного лазера. Другими словами, благодаря широкой линии усиления можно создать эффективный источник лазерного излучения, длину волны которого можно перестраивать в широком диапазоне, что несомненно расширяет возможности волоконных лазеров.
Существуют различные схемы перестройки длины волны генерации волоконного лазера. В работе [6] предложен метод перестройки длины волны с помощью призмы с высокой дисперсией. Принцип заключается в следующем: резонатор образуют два высокоотражающих зеркала, между которыми находится отрезок активного волоконного световода. Между одним из зеркал и световодом находится призма, часть излучения через которую проходит, а часть отражается, осуществляя вывод излучения. Выходящее из световода спонтанное излучение, пройдя через призму, после преломления разлагается па различные спектральные компоненты, распространяющиеся под разными углами. Из-за различного направления распространения отдельных спектральных компонент обратно в волоконный резонатор попадает только та спектральная компонента, которая распространяется под необходимым углом, создавая тем самым обратную связь. Поворачивая призму, изменяется направление распространения спектральных компонент, таким образом изменяется и длина волны генерации самого лазера. В такой схеме получен диапазон перестройки 1010−1162 нм.
Другой метод перестройки длины волны — использование дифракционной решетки. В этом случае селектирующим элементом волоконного лазера является объемная дифракционная решетка, с помощью которой задается длина волны генерации волоконного лазера (см., например [31, 32, 33, 34, 35]). Перестройка длины волны генерации осуществляется поворотом дифракционной решетки. Такой метод позволяет достичь диапазона перестройки в десятки нм. У данных двух методов есть недостаток, который заключается в использовании элементов объемной оптики, требующих точной настройки.
Существует ещё один метод перестройки длины волны генерации волоконного лазера. Поскольку ВБР позволяют создавать волоконные лазеры без использования объемной оптики, что значительно упрощает схему и повышает надежность лазера, то создание перестраиваемых волоконных лазеров па основе ВБР является наиболее привлекательным. Метод заключается в использовании свойств чувствительности длины волны отражения волоконной брэгговской решетки к температуре и деформациям [36, 37, 38]. Типичная зависимость сдвига резонансной длины волны ВБР от температуры носит линейный характер [39], что позволяет получить калибровку с хорошей точностью, по метод температурной перестройки длины волны является медленным. К тому же использование ВБР на высоких температурах приводит к уменьшению наведенного показателя преломления и, соответственно, к увеличению пропускания на резонансной длине волны [40]. Это ограничивает диапазон перестройки, который для длины волны ~ 1 мкм составляет ~ 0.7 нм при изменении температуры на 100 °C. Растяжение волоконного световода с записанной в нем ВБР позволяет перестраивать резонансную длину волны с достаточно высокой скоростью. При этом предел прочности волоконного световода на растяжение позволяет получить диапазон перестройки только ~ 1 им. На сжатие прочность волоконного световода па порядок выше, чем на растяжение [41], поэтому можно получить диапазон перестройки в десятки им.
На сегодняшний день существует два распространённых подхода обеспечивающих аксиальное сжатие волоконного световода с ВБР, и осуществляющих тем самым перестройку резонансной длины волны. Первый основан па 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/растяжепие 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. Использование метода перестройки посредством изгиба балки для перестраиваемых фильтров позволило достичь рекордных значений диапазона перестройки 110 нм в области 1,55 мкм [42]. Однако при использовании такой ВБР в качестве элемента резонатора волоконных лазеров диапазон перестройки не превышал 35 нм для эрбиевого лазера, генерирующего в области 1.55 мкм [43], и 15 нм для пеодимового лазера, генерирующего в области 0.9 мкм [44]. В работах [45, 46] для иттербиевого полностью волоконного лазера продемонстрирован диапазон перестройки 45 нм.
Волоконные лазеры различных конфигураций способны перекрыть достаточно широкий диапазон длин волн в ближней инфракрасной области от 0,9 до 2,2 мкм. Однако во многих практических и научных применениях требуется излучение видимого диапазона. Лазерные источники видимого излучения мощностью несколько сотен милливатт крайне важны, в частности для медицинских применений. К тому же, благодаря достаточно простой перестройке душны волны генерации волоконных лазеров на основе ВБР, создание перестраиваемых в видимом диапазоне источников на базе волоконных лазеров открывает новые горизонты их практических применений.
Первые перестраиваемые источники видимого излучения были разработаны еще в середине шестидесятых годов XX века. Активной средой таких лазеров является органический краситель, имеющий широкие линии поглощения и люминесценции, что позволяет перестраивать длину волны в широком диапазоне до 100 им [47, 48]. Лазеры па красителях достаточно универсальны: помимо перестройки частоты они могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах, генерировать одпочастотное излучение, а так же выдавать высокие энергии в импульсе и высокие мощности видимого излучения. Тем не менее лазеры на красителях представляют собой сложные системы, для работы с которыми необходимы высококвалифицированные специалисты. В качестве накачки требуется видимое излучение с мощностью в несколько ватт. Использование красителей в жидкой фазе влечет за собой выделение токсичных и канцерогенных веществ. Характерное время жизни красителя относительно небольшое и составляет порядка месяца. В некоторых приложениях универсальность лазеров на красителях излишня, а их использование затруднено.
В последнее время активно развиваются источники суперконтипуу-ма на базе волоконных лазеров. Такие источники также позволяют получать перестраиваемое излучение при использовании перестраиваемых фильтров. Недостатком источников суперконтинуума является относительно низкая спектральная плотность (десятки милливатт на нанометр) при уровне одномодовой накачки в сотни ватт [49].
Альтернативой лазерам на красителях и источникам суперконтинуума могут служить перестраиваемые волоконные лазеры с удвоением частоты. Генерация гармоник излучения и нелинейная оптика в целом получили бурное развитие еще в шестидесятых годах XX века после изобретения первого лазера. К настоящему времени теория генерации гармоник хорошо развита. Существует множество нелинейных элементов и схем для преобразования частоты. К сегодняшнему дню нелинейно-оптические преобразователи частоты лазерного излучения позволяют практически полностью решить проблему перекрытия оптического диапазона разнообразными источниками излучения.
В большинстве случаев для преобразования частоты генерации волоконных лазеров используют внерезонаторные схемы (см., например, [50, 51, 52, 53, 54]) и и генерацию второй гармоники (ГВГ) во внешнем резонаторе (см., например, [55, 56, 57, 58]). Данные методы преобразования частоты генерации являются достаточно эффективными, по их использование накладывает высокие требования к выходному излучению самого волоконного лазера. Так, во внерезопаторных схемах обычно используются кристаллы с регулярной доменной структурой (РДС-кристаллы), поэтому выходное излучение волоконного лазера должно бытьлипейно поляризованным. Кроме того на эффективность преобразования в этом случае влияет ширина линии генерации волоконного лазера. В работе [51] при генерации второй гармоники в РДС-кристалле РРЬЫ линейно поляризованного ВКР-лазера с длиной волны генерации 1178 нм получено 3 Вт второй гармоники при уровне мощности основного излучения 23 Вт. При этом с ростом мощности основного излучения от 3-х Вт наблюдался линейный рост мощности второй гармоники вместо квадратичного. Это связано с уширением спектра генерации ВКР-лазера при увеличении выходной мощности, что приводит к тому, что значительная часть мощности находится вне ширины квазисинхропизма использовавшегося кристалла. Впоследствии влияние ширины спектра генерации волоконного лазера на эффективность преобразования во воторую гармонику также обсуждалось в [53, 59].
Для преобразования частоты генерации во внешнем резонаторе требуется одночастотиое излучение. В большинстве случаев волоконные лазеры генерируют много частот. Для получения одночастотного режима генерации используют волоконный лазер с распределенной обратной связью (РОС-лазер) [60]. Обычно мощность иттербиевого РОС-лазера не превышает ста милливатт, поэтому для увеличения мощности используют волоконно-оптические усилители, с помощью которых можно получить мощности в сотни ватт [61, 62]. Удвоение частоты генерации РОС-лазера во внешнем резонаторе позволяет достичь эффективпостей преобразования более 50%. Так, в работе [55] продемонстрирована мощность второй гармоники 4.1 Вт с накачкой излучением одночастотного РОС-лазера мощностью 8.3 Вт на длине волны 1091 им.
Данные подходы позволяют получать высокие эффективности преобразования ближнего ИК диапазона генерации волоконных лазеров в видимое излучение. Однако эти методы достаточно сложно применить для создания волоконных лазерных источников видимого излучения, перестраиваемых в широком диапазоне длин волн. Во вперезонаторной схеме используется РДС-кристалл, диапазон перестройки которого ограничен диапазоном рабочих температур (обычно не более 5 нм). Схема удвоения частоты генерации одночастотного лазера во внешнем резонаторе достаточно сложна, хотя и находит практические применения. Помимо сложности изготовления перестраиваемого РОС-лазера сам внешний резонатор представляет собой сложный технологический объект, требующий точного согласования всех оптических элементов и непростой электроники для согласования частоты лазера и моды внешнего резонатора. Поэтому задача создания перестраиваемых источников видимого излучения на базе РОС-лазеров затруднена сложностью и дороговизной технологического исполнения.
В отличие от схем внерезопаторной ГВГ и преобразования частоты генерации во внешнем резонаторе наибольшее распространение для генерации второй гармоники излучения твердотельных лазеров получили схемы внутрирезонаторного удвоения частоты (см., например, [63, 64]). Принцип ГВГ заключается в том, что активный элемент, в котором генерируется излучение на основной частоте, и нелинейный кристалл, где это излучение преобразуется во вторую гармонику, оказываются внутри общего резонатора. При этом резонатор заперт для основного излучения, что увеличивает мощность внутри резонатора, и открыт для вывода излучения второй гармоники. Данная схема достаточна проста и эффективна для получения второй гармоники. К тому же при изменении длины волны генерации лазера стабилизация длины резонатора не требуется, и, как следствие, схема становится гораздо проще, чем при удвоении частоты генерации во внешнем резонаторе. Поэтому хотелось бы применить данный подход для получения видимого излучения перестраиваемого в широком диапазоне па базе относительно простого волоконного лазера, перестраиваемого в широком диапазоне.
Первые попытки по виутрирезонаторному преобразованию частоты волоконных лазеров не принесли высоких результатов. В работах [65, 66] была использована внутрирезонаторпая схема удвоения частоты генерации ВКР-лазера в кристалле LBO. Однако при уровне мощности излучения основной гармоники (1178 нм) 12 Вт было получено лишь 10 мВт на длине волны второй гармоники (589 нм). Столь низкое значение эффективности связано, во-первых, со случайным характером поляризации излучения ВКР-лазера, что приводит к 4-х кратному снижению эффективности генерации второй гармоники, поскольку в кристалле LBO использовался синхронизм первого типа, требующий линейной поляризации. Синхронизм второго типа позволит избежать данной проблемы. Другой причиной крайне низкой эффективности генерации второй гармоники в схемах с внутрирезонаториым удвоением частоты является большая спектральная ширина выходного излучения ВКР-лазера, превосходящая ширину синхронизма кристалла (характерная ширина спектра излучения ВКР-лазера составляет единицы нанометров при выходной мощности несколько Ватт). Других работ по виутрирезонаторному удвоению частоты волоконных лазеров не было.
Таким образом, получение эффективной генерации второй гармоники при виутрирезопаторном удвоении частоты волоконных лазеров и создание перестраиваемых волоконных источников видимого диапазона является актуальной задачей. Для ее решения необходимо выбрать наиболее эффективный нелинейный элемент для генерации второй гармоники излучения волоконного лазера в достаточно широком диапазоне без значительных потерь эффективности. Кроме того, создать оптимальную и в то же время простую схему перестраиваемого волоконного лазера с внут-рирезоиаторным удвоением частоты генерации, позволяющую получить наиболее высокую добротность резонатора для максимально эффективной генерации второй гармоники.
На основании вышеизложенных фактов, задачи данной диссертационной работы, начатой в 2006 году, были сформулированы следующим образом:
1) Оптимизировать схему перестраиваемого ИВЛ для преобразования его излучения во вторую гармонику.
2) Для преобразования частоты генерации ИВЛ со случайной поляризацией выбрать нелинейный кристалл и рассчитать его геометрию для наиболее эффективной ГВГ с перестройкой частоты в широком спектральном диапазоне.
3) Выявить и исследовать различные эффекты, влияющие на эффективность внутрирезонаторной ГВГ перестраиваемого ИВЛ.
Основная часть диссертации состоит из трех глав.
Первая глава посвящена общим принципам работы иттербисвых волоконных лазеров. Глава состоит из двух параграфов. В первом параграфе приведены основные сведения о процессе генерации волоконного лазера на основе иттербиевого волоконного световода. Рассмотрена аналитическая модель генерации ИВЛ, описывающая зависимость выходной мощности лазера от мощности накачки. Во втором параграфе описаны методы перестройки длины волны генерации ИВЛ с помощью ВБР. Также представлены различные способы накачки в активное волокно с двойной оболочкой. Выбор схемы ИВЛ определялся простотой исполнения и доступностью компонентов. Для выбранной схемы были проведены измерения выходной мощности лазера в зависимости от мощности мно-гомодовой накачки. Эффективность преобразования излучения накачки в лазерную генерацию составила 76%. Проведено сравнение полученной зависимости выходной мощности с аналитической моделью. Отклонение от теории выявило необходимость в термостабилизации лазерных диодов накачки.
Во второй главе приведено описание перестройки и удвоения частоты генерации ИВЛ во виерезонаториой схеме. Глава состоит из четырех параграфов. В третьем параграфе описаны общие свойства двуос-пых кристаллов, в том числе снос излучения необыкновенной волны, влияющий на эффективность преобразования во вторую гармонику, и метод компенсации сноса для заданной длины волны за счет наклонного падения па поверхность кристалла. Также приводятся зависимости показателя преломления от длины волны и температуры для кристалла КТР, необходимые для расчета геометрии кристалла. Описан пример расчета геометрии кристалла КТР с синхронизмом в плоскости XZ, с помощью которого можно определять геометрические параметры кристалла, позволяющие компенсировать разбегание лучей обыкновенной и необыкновенной волн излучения на основной частоте для фиксированной длины волны. В четвертом параграфе исследуется влияние фокусировки пучка излучения основной частоты в кристалл на эффективность преобразования во вторую гармонику. Экспериментальные данные позволяют выбрать оптимальный набор линз для дальнейших экспериментов. Далее для трех различных геометрий кристалла КТР с синхронизмом в плоскости ХЪ приведены расчетные значения угла сноса, углов между лучами обыкновенной и необыкновенной волн и углов падения излучения на поверхность кристалла в зависимости от длины волны синхронизма. Эти данные позволяют определить длину волны, на которой преобразование во вторую гармонику будет максимальным для определенного кристалла. В этой же главе описана экспериментальная установка по удвоению частоты генерации перестраиваемого ИВЛ во виерезонаторной схеме. Для трех кристаллов длиной 10 мм с синхронизмом в плоскости Х% приводятся результаты измерений полного коэффициента эффективной нелинейности (отношение мощности второй гармоники к квадрату мощности первой) в зависимости от длины волны. В пятом и шестом параграфах рассматривается генерация второй гармоники перестраиваемого ИВЛ в кристаллах КТР с синхронизмом в плоскостях ХУ и Для этих кристаллов, аналогично плоскости XZ, приведены расчетные значения углов между лучами обыкновенной и необыкновенной волн и углов падения на поверхность кристалла в зависимости от длины волны синхронизма. Также в главе представлены коэффициенты преобразования во вторую гармонику в зависимости от длины волны. Полученные в ходе экспериментов данные позволили определить диапазоны длин волн, в которых данные кристаллы способны наиболее эффективно преобразовывать излучение.
В третьей главе описано внутрирезоиаторное удвоение частоты генерации перестраиваемого ИВ Л. Глава состит из двух параграфов. В седьмом параграфе рассматриваются особенности оптической схемы резонатора для внутрирезопаторпой генерации второй гармоники, позволяющие возвращать обратно в резонатор параллельные лучи основного излучеиия, сформированные па выходе кристалла из-за эффекта сноса. Далее приводится сравнение экспериментальных данных по удвоению частоты генерации ИВЛ во внерезоиаторпой и внутрирезопаторпой схемах. Обсуждается влияние уширепия спектра генерации ИВЛ на эффективность преобразования при внутрирезонаторном удвоении частоты, которое приводит к увеличению пропускания ВБР и снижению добротности резонатора. В восьмом параграфе опиываются фазовые эффекты, оказывающие влияние па эффективность ГВГ при внутрирезонаторном удвоении частоты. При перестройке частоты ИВЛ мощность второй гармоники изменяется неплавным образом в отличие от ГВГ во вне-резонаторной схеме. Для качественного описания и фазовых эффектов приведено решение системы укороченных уравнений для ГВГ в случае цилиндрически симметричного гауссова пучка при рассмотрении некритического синхронизма первого типа. Далее описан метод компенсации фазы, который позволяет получить плавную зависимость мощности второй гармоники от длины волны. И, таким образом, для кристаллов с синхронизмом в плоскостях ХУи показана плавная перестройка частоты при генерации второй гармоники во впутрирезонаторной схеме.
Завершают основную часть диссертации заключение, в котором формулируются основные результаты, достигнутые в ходе работы, благодарности и список цитируемой литературы.
Основные результаты работы опубликованы в научных журналах [67, 68, 69, 70] и материалах конференций и семинаров [71, 72, 73, 74, 75, 76]. Материалы этих и других работ по теме диссертации были доложены на следующих конференциях и семинарах: Advanced Solid State Photonics 2007 (28−31 January, 2007, Vancouver, Canada) — 13th Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research, ICMAR 2007 (5−10 February, 2007, Novosibirsk, Russia) — 1-й Российский семинар по волоконным лазерам (4−6 апреля 2007 г., Новосибирск, Россия) — ICONO-LAT 2007 (May 28 — June 1, 2007, Minsk, Belarus) — 2-й Российский семинар по волоконным лазерам (1−4 апреля 2008, Саратов, Россия) — 13th Int. Conf. «Laser Optics» (24−27 June 2008, St. Petersburg, Russia) — 5th Int. Symposium Modern Problems of Laser Physics (24−30 August 2008, Novosibirsk, Russia) — 19th International Laser Physics Workshop LPHYS (5−9 July 2010, Foz do Iguaqu, Brazil) — 5-й Российский семинар по волоконным лазерам (27−30 марта 2012 г., Новосибирск, Россия). Результаты также докладывались на научных семинарах ИАиЭ СО РАН (21 октября 2010 г. и 1 ноября 2012 г.).
Сформулируем основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) В кристалле КТР с синхронизмом второго типа возможно эффективное внутрирезопаторное удвоение частоты генерации непрерывного иттербиевого волоконного лазера со случайной поляризацией.
2) Удвоение частоты непрерывного случайно поляризованного излучения иттербиевого волоконного лазера с перестройкой в широком диапазоне осуществляется в кристалле КТР с компенсацией сноса излучения на фиксированной длине волны. Изменение частоты второй гармоники достигается путем синхронной перестройки волоконной брэгговской решетки лазера и поворота кристалла.
3) Увеличение эффективности генерации второй гармоники за счет увеличения внутрирезонаторпой мощности излучения на основной частоте ограничено спектральными потерями, связанными с уши-рением спектра генерации иттербиевого волоконного лазера при росте мощности.
4) Диапазон плавной перестройки иттербиевого волоконного лазера с внутрирезонаторпой генерацией второй гармоники ограничен интерференционными эффектами, возникающими из-за разности фаз второй гармоники при генерации на прямом и обратном проходе через нелинейный кристалл. Компенсация дисперсии расширяет диапазон плавной перестройки.
Выводы.
В данной главе рассмотрена возможность внутрирезонаторного удвоения частоты перестраиваемого ИВЛ. Выявлено, что основным фактором, влияющим на снижение добротности резонатора, является ушире-ние спектра генерации волоконного лазера. Уширепие спектра приводит к увеличению пропускания плотной ВБР, являющейся зеркалом резонатора лазера и, соответственно, к снижению роста внутрирезопаторпой мощности.
При перестройке частоты генерации ИВЛ с внутрирезопаторпой ГВГ наблюдается модуляция выходной мощности видимого излучения, связанная с фазовыми эффектами. Причина появления данных эффектов связана с наличием внутри резонатора оптических элементов со значительной дисперсией, в которых происходит сдвиг фазы между второй гармоникой и основным излучением. Получено качественное объяснение влияния сдвига фазы на кривую синхронизма для случая генерации второй гармоники в двух кристаллах с первым типом синхронизма при отсутствии сноса. Внесением дополнительного фазосдвигающего элемента внутрь резонатора удалось скомпенсировать фазовые эффекты и получить плавную перестройку, схожую с генерацией второй гармоники во внерезонаторной схеме. Получены диапазоны перестройки 528−540 им и 540−550 нм для кристаллов с синхронизмом в плоскостях ХУ и XZ соответственно.
При внутрирезонаторном удвоении частоты в кристалле в плоскости ХУудалось увеличить мощность второй гармоники в 5 раз по сравнению с внерезонаторной схемой с 90 до 450 мВт. С кристаллом в плоскости Х% мощность увеличилась в 3 раза со 120 до 350 мВт. Отличие в коэффициенте увеличения связано с большим уширением спектра генерации ИВЛ во втором случае, поскольку использовавшийся активный световод был длиннее, чем в первом случае.
Также хотелось бы отметить последние достижения по виутрирезо-наторному удвоению частоты волоконных лазеров. В работах [105, 106] предложен еще один метод эффективного удвоения частоты генерации волоконного лазера. Излучение лазера заводится в четырехзсркальный резонатор, куда помещен нелинейный кристалл. Прошедшее через резонатор излучение отражается обратно в световод лазера с помощью зеркала с высоким коэффициентом отражения, стоящего за резонатором, создавая тем самым обратную связь. Эта связь позволяет волоконному лазеру генерировать только на собственных модах четырехзеркального резонатора, благодаря чему основное излучение накапливается в резонаторе, что приводит к увеличению эффективности удвоения частоты. В такой схеме получена мощность 2-й гармоники 19 Вт при мощности поглощенной многомодовой накачки 90 Вт. Данный метод позволяет осуществить перестройку частоты в достаточно широком диапазоне. Недостатком этой схемы является сложность ее конструкции: в качестве селектора частоты волоконного лазера вместо волоконной брэгговской решетки используется объемная дифракционная решеткасхема содержит достаточно много оптических элементов, требующих точного согласования и настройки. К тому же в спектре излучения 2-й гармоники имеется несколько пиков, обусловленных селекцией продольных мод.
Заключение
.
В данной работе проводилось исследование перестроечных характеристик иттербиевого волоконного лазера с внутрирезоиаторным удвоением частоты. В работе получены следующие результаты:
1) Показано, что кристалл КТР со вторым типом синхронизма, оптимизированный на определенную длину волны с компенсацией сноса за счет наклонного падения на поверхность кристалла, может быть использован для эффективной генерации второй гармоники непрерывного случайно поляризованного излучения иттербиевого волоконного лазера с перестройкой длины волны в диапазоне больше 40 нм.
2) Продемонстрирован диапазон плавной перестройки частоты второй гармоники 528−540 нм и 540−560 нм для кристаллов с синхронизмом в плоскостях ХУ и Х?1 соответственно. Полный коэффициент эффективной нелинейности (отношение мощности второй гармоники к квадрату мощности первой) во внерезонаторной схеме составил ~ 5 X 10″ 4 Вт" 1. Для кристалла с синхронизмом в плоскости УZ получен диапазон перестройки 527−551 нм, который ограничен механическими возможностями перестраиваемой волоконной брэгговской решетки. Полный коэффициент эффективной нелинейности в плоскости УZ на порядок ниже, чем в плоскостях ХУи ХК.
3) Показано увеличение эффективности генерации второй гармоники иттербиевого волоконного лазера во внутрирезонаторной схеме до пяти раз по сравнению с внерезонаторной схемой. Установлено, что уширение спектра с ростом мощности лазера приводит к увеличению эффективного пропускания волоконной брэгговской решетки. В результате снижается добротность резонатора, и ограничивается рост мощности основного излучения внутри резонатора.
4) Добавление внутрь резонатора дисперсионного элемента, компенсирующего сдвиг фазы волн второй гармоники, генерируемых на прямом и обратном проходе через нелинейный кристалл, позволяет достичь плавного изменения мощности второй гармоники при перестройке частоты иттербиевого волоконного лазера с внутрире-зонаторным удвоением частоты.
В заключении хотелось бы поблагодарить научного руководителя Сергея Ивановича Каблукова за чуткое осуществление научного руководство, помощь в проведении экспериментов, обсуждении результатов и подготовке статей. Неоценимый вклад внес руководитель лаборатории Сергей Алексеевич Бабин, задав правильное направление исследований, оказывая всестороннюю поддержку в подготовке статей и текста диссертации. Также хочется поблагодарить Александра Власова и Илью Немова за запись бесчисленного количество брэгговских решеток, использовавшихся в работе, Распопина Кирилла за изготовление перестраиваемых решеток и весь коллектив лаборатории волоконной оптики и ООО «Инверсия-Файбер» за постоянное содействие.
