Перевод Андрея Ермолаева
по материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com
Определение: оптические волокна на основе стекла, легированные редкоземельными ионами.
Оптоволоконные лазеры и волоконные усилители почти всегда основываются на оптоволокне, которое легируется редкоземельными ионами в активной среде лазера (как правило, в сердцевине оптоволокна). Эти ионы поглощают свет накачки, как правило, на более коротких волнах, чем длина волны в лазере или в усилителе (за исключением ап-конверсионных лазеров), которые возбуждаются и переходят на метастабильные уровни. Это обуславливает усиление света с помощью вынужденного излучения. Такого рода волокна часто называются активными. Они являются высокоэффективной усиливающей средой, главным образом в результате эффекта ограничения области распространения света в волноводе.
Наиболее распространенные типы легированных редкоземельных волокон
В следующей таблице приведены наиболее распространенные лазерно-активные ионы и матрицы стекла, а также типичные диапазоны длин волн редкоземельных легированных волокон:
Таблица 1: Наиболее распространенные лазерно-активные ионы, матрицы стекла и длины волн излучения.
|
Ион
|
Матрица стекла
|
Важные длины волн
|
|
Неодим (Nd3+)
|
Силикатные и фосфатные стекла
|
1.03–1.1 μm, 0.9–0.95 μm, 1.32–1.35 μm
|
|
Иттербий (Yb3+)
|
Силикатное стекло
|
1.0–1.1 μm
|
|
Эрбий (Er3+)
|
Силикатные и фосфатные стекла, фторидное стекло
|
1.5–1.6 μm, 2.7 μm, 0.55 μm
|
|
Тулий(Tm3+)
|
Силикатные стекла и германиевые стекла, фторидные стекла
|
1.7–2.1 μm, 1.45–1.53 μm, 0.48 μm, 0.8 μm
|
|
Празеодим(Pr3+)
|
Силикатные стекла и фторидные стекла
|
1.3 μm, 0.635 μm, 0.6 μm, 0.52 μm, 0.49 μm
|
|
Гольмий(Ho3+)
|
Силикатные стекла, фтороцирконатные стекла
|
2.1 μm, 2.9 μm
|
Технологически наиболее важными волокнами легированными редкоземельными элементами являются: легированное эрбием волокно для эрбиевых волоконных усилителей и легированные иттербием волокна для мощных волоконных лазеров и усилителей.
Важность состава матрицы
Химический состав стекла для лазерно-активной сердцевины волокна сильно влияет на возможную производительность и практическое использование активного оптоволокна:
• Ограниченный диапазон прозрачности может исключить использование некоторых лазерных переходов. Например, лазеры в средней инфракрасной области спектра не могут быть реализованы с силикатными волокнами, которые сильно поглощают на длине волны более ~ 2 мкм.
• состав стекла сильно влияет на максимальную концентрацию примеси ионов, которые могут быть включены без чрезмерной кластеризации, которая приводит к тушению и, возможно, увеличивает потери при распространении.
• Это также влияет на разные оптические переходы редкоземельных ионов, в особенности в эмиссии, в поглощении поперечного сечения, поглощения и излучения пропускной способности, общий коэффициент перехода и тем самым метастабильного уровня жизни и т.д.
• константы скорости переноса энергии между различными ионами также зависят от химического состава.
• В основном максимальная энергия фонона стекла определяет скорость процессов многофононного излучения, то есть, скорость безизлучательного перехода между определенными уровнями. Этот эффект может быть сильным: некоторые уровни могут быть долгоживущими (несколько миллисекунд) в стеклах тяжелых металлов фтора, но недолгоживущими (несколько микросекунд) в силикатных стеклах.
• Некоторые стекла (например, фторидные стекла), как правило, сложны и дороги в изготовлении и обработке. Оптоволокно без примесей не всегда легко получить, и часто требуют сложные методы.
• Некоторые стекла чувствительны к свету, позволяют изготавливать волоконные брэгговские решетки с ультрафиолетовым светом. Фоточувствительность может сильно зависеть от определенных примесей.
• Стекла очень сильно отличаются в своих оптических нелинейностях и в пороге оптического повреждения.
Для редкоземельных легированных волокон, состав сердцевины, как правило, меняется при внедрении дополнительных примесей. Например, одно редкоземельное оптоволокно использует чисто силикатные стекла, а другие алюмосиликатные, германосиликатные, или фосфоросиликатные стекла. Некоторые соактиваторы, такие как алюминий, улучшают растворимость редкоземельных ионов и, следовательно, это позволяет получать более высокую концентрацию легирования редкоземельных элементов без уменьшения времени жизни в возбужденном состоянии. Другие соактиваторы оказывают влияние на показатель преломления, на форму спектра оптических переходов или скорость передачи энергии. Статьи об усиливающей среде с редкоземельными ионами, усиленной среде и сердцевине волокна дают больше информации.
Многие ап-конверсионные лазеры и лазеры видимого излучения, как фторидные волокна, где фононная энергия снижена настолько, что время жизни на метастабильном уровне жизни достаточно долгое (не тушения через многофононных переходов). Такие фторидные волокна также обладают хорошей передачей в среднем инфракрасном диапазоне и поэтому используются для среднего ИК-диапазона лазерных источников.
