Курсовая работа: Напрямки розвитку волоконної оптики

при

При менших значеннях V зниження відбувається повільніше, тому, чим менше V, тим менша частина загальної потужності поширюється поблизу oci волокна. Цей ефект безпосередньо ілюструється шляхом обчислення долі потужності в інтервалі від 0 до, як показано в табл. 2.1. 3 наведених даних зрозуміло, що у світловодах з малим V, випромінювання, що поширюється, захоплює більшу частину поперечного перерізу, ніж у випадку V >2 [13].

На виході волоконного лазера розбіжність випромінювання приблизно визначається числовою апертурою волокна. Для градієнтного волокна, яким є волокно з гаусівським профілем, використовується поняття локальної числової апертури, яка визначається наступним виразом:

, (2.17)

значення якої максимальне на oci і падає до нуля на границі розділу серцевини i оболонки. А відповідно розбіжність випромінювання визначається наступним чином [13]:

(2.18)

2.6 Оптичні волокна зі ступінчастим профілем показника заломлення

Для волокна з ступінчастим профілем справедливими є наступні вирази для радіуса плями i сталої розповсюдження:

, (2.19)

які приводять до інших значень параметрів у табл. 2.1()[13].

Розбіжність випромінювання в даному волокні визначається показниками заломлення серцевини i оболонки [13]:

(2.20)

волоконний лазер оптичний спектральний

2.7. Вимоги до матеріалів активних середовищ

Лазерне середовище волоконного лазера створюють легуванням серцевини волокна (основа) активаторами, що володіють заданою картиною енергетичних рівнів. Склоподібна основа (в нашому випадку кварц) повинна задовольняти деяким умовам.

• Оптична прозорість для випромінювання накачування i для випромінювання іонів активатора;

• Ефективний відвід тепла;

• Висока оптична однорідність (відсутність механічних напружень, мікровключень);

• Структура повинна допускати введення активатора в заданій концентрації.

Іони активатора вводяться в основу без порушення оптичної однорідності i механічної міцності, створюють збуджені метастабільні piвнi, час життя на яких повинен визначатись в основному випромінювальними оптичними переходами, володіють широкими смугами поглинання i сильними вузькими лініями люмінесценції. Для виготовлення таких волокон застосовують, зокрема, силікатні, фосфатні, боратні, германатні, теллуридні, фторофосфатні скла, які активовані такими рідкоземельними іонами, як Nd³⁺ ,Tb⁺ , Но³⁺ , Ег³⁺ , Tm³⁺ ,Yb³⁺ . 3 допомогою Yb³⁺ - волоконного лазера з домішками Tm³⁺ можна реалізувати волоконний лазер з пасивним переключенням добротності, при якому адсорбер інтегрований в підсилювальне волокно. Узгоджена адсорбція в цій системі базується на легуванні Tm³⁺ .

У волоконних лазерах переважає неоднорідне розширення лінії випромінювання, механізм якого полягає в тому, що резонансні частоти окремих атомів розподіляються в деякій смузі частот (не співпадають) i, відповідно, лінія всієї системи є розширеною при відсутності розширення лінії окремих атомів. Рівні енергії, а отже i частоти переходів, залежать від найближчих сусідів кожного атома. Випадкові деформації, які завжди мають місце в оптичному волокні, змінюють це оточення від іона до ioнa, що приводить до розкиду частот переходів.

Волоконний лазер може генерувати як в неперервному, так i в імпульсному режимі, які будуть розглянуті нижче. Модовий режим роботи буде залежати від оптичного волокна, яке використовується.

2.8 Схема накачування волоконного лазера

Спектр випромінювання активатора може відповідати три- або чотири рівневі cxeмi. В своїй більшості іони рідкоземельних металів володіють набором енергетичних рівнів, що відповідають чотири рівневі системі.

Рис. 2.4. Схема розміщення енергетичних рівнів для Nd³⁺ в скляній матриці

,нм
1330	2,05	1,13	0,62
1059	2,7	1,48	0,62
956	1,9	1,04	0,62

Розглянемо чотирирівневу модель роботи волоконного лазера. При термодинамічній рівновазі майже вci атоми згідно статистики Больцмана знаходяться в основному стані (нульовий рівенъ). Під дією випромінювання лазерного діода (накачування) атоми переходить з рівня 0 на рівень 3. З цього рівня атоми будуть швидко релаксувати з переходом на більш низький метастабільний рівень 2. Якщо така релаксація проходить достатньо швидко, то рівень 3 залишається практично незаселеним. Оскільки рівень 1 спочатку був незаселеним, кожний атом, що знаходиться в збудженому стані буде давати вклад в інверсію заселеності між рівнями 2 i 1. Коли в лазері виникає генерація, атоми в процесі вимушеного випромінювання переходять з рівня 2 на рівень 1.

Рис. 2.5. Схема енергетичних рівнів чотирирівневого лазера