Wybrane zagadnienia i konstrukcje
Ogólna klasyfikacja laserów światłowodowych Światłowody z aktywnym rdzeniem Wzmacniacze światła na potrzeby telekomunikacji (EDFA, PDFA, RFA) Laser z up-konwersją w włóknie Układy laserowe dużej mocy średniej
Ogólna klasyfikacja laserów światłowodowych Światłowody z aktywnym rdzeniem Wzmacniacze światła na potrzeby telekomunikacji (EDFA, PDFA, RFA) Laser z up-konwersją w włóknie Erbium Doped Fiber Amplifier Prazeodymium Doped Fiber Amplifier Raman Fiber Amplifier Układy laserowe dużej mocy średniej
Światłowody - przypomnienie Wynalazek Grahama Bella z 1880 roku - ŚWIATŁOFON do transmisji głosu za pomocą wiązki promieni słonecznych przesyłanych w otwartej przestrzeni Działanie: modulacja światła za pomocą drgającego cienkiego zwierciadła przesłana wiązka zogniskowana przez lustro paraboliczne kryształ selenu w ognisku jako odbiornik modulacji Współczesne jednodomowe włókno światłowodowe 3.06.1880 transmisja na odległość 213 metrów Dziś - transoceaniczna komunikacja
Światłowody jedno- i wielomodowe
Mody światłowodu 2a średnica rdzenia Światłowód jednomodowy, gdy: V < 2.405
Światłowody z rdzeniem aktywnym Domieszki jonów ziem rzadkich - neodym (808 nm 1.06 mm) - iterb (976 nm 1.04 mm) - erb (980 nm 1.50 mm) - prazeodym 1.3 mm najczęściej wykorzystywane przejścia w osnowie szkła kwarcowego - tul 1.9 mm - holm 2.1 mm - mieszanki powyższych Materiały na włókna aktywne - szkła kwarcowe (najczęściej, ograniczona wartość koncentracji, pasmo do 2.2 mm) - szkła fluorkowe (pasmo od 0.2 do 7 mm) np. ZBLAN (mieszkanka fluorków cyrkonu, baru, lantanu, glinu i sodu, możliwa wysoka koncentracja jonów)
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Er Er Pr
Optyczne wzmacniacze w telekomunikacji Wzmacnianie sygnałów optycznych w światłowodach na długich dystansach Niepotrzebne są drogie repetery elektroniczne wysokiej częstotliwości Wzmacnianie jednocześnie różnych częstości optycznych (kanałów transmisji), są nieczułe na format i prędkość transmisji danych Wady: nie poprawiają zwiększającego się poszerzenia impulsów związanego z dyspersją materiałową, wprowadzają szum (zgodnie z zakazem klonowania kwantowego Rodzaje wykorzystywanych wzmacniaczy optycznych w telekomunikacji: - EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) pasmo C i L okna transmisyjnego - PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier) pasmo O (1300 nm) - RFA (Raman Fiber Amplifier) - SOA (Semiconductor optical amplifier) Typowy wzmacniacz erbowy
Najprostszy rezonator światłowodowy Promieniowanie pompujące Lustro Włókno aktywne Output Coupler Promieniowanie generowane Możliwa realizacja: - warstwa dielektryczna napylona na ściętą końcówkę światłowodu - zwierciadło Bragga - sprzęgacz światłowodowy - wyprowadzenie wiązki ze światłowodu i użycie lustra dichroicznego Możliwa realizacja: - ścięta końcówka światłowodu (4%) - zwierciadło Bragga - wyprowadzenie wiązki ze światłowodu i użycie zwykłego OC
EDFA Pompa: 980 nm Wzmocnienie > 20dB Pasmo > 40 nm (ok. 160 kanałów transmisyjnych) W długim ciągu wzmacniaczy EDFA, niejednorodność krzywej wzmocnienia ośrodka Er3+ jest niepożądana. Współczesne komercyjne EDFA wyposażone są w moduły kompensujące (np. siatki Bragga) Krzywa wzmocnienia w EDFA dla różnych mocy sygnałów wejściowych. Każdy punkt oznacza odrębny kanał transmisyjny
Dygresja: rozpraszanie światła w ośrodku Typowe liczby dla procesów spontanicznych - wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) - wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS) Gdy razem z wiązką główną (n 0 ) propagują się wiązki o częstościach dopasowanych do składowych Ramana lub Brillouina może dojść do wymuszonego rozpraszania - składowe te będą wzmacniane kosztem energii wiązki głównej (pompy).
Wzmocnienie Ramana w szkle kwarcowym
RFA - Ramanowskie wzmacniacze światłowodowe (do zastosowań w telekomunikacji) wykorzystują wymuszone zjawisko Ramana dla kwarcu przesunięcie stokesowkie wynosi 13-14 THz (ok. 100 nm na 1550 nm) zalety: mogą pracować w zasadzie na każdej długości fali w zależności od użytej pompy wykorzystując kilka pomp na różnej długości fali, można uzyskać płaską krzywą wzmocnienia dla różnych długości fal kompensacja szumu pompy przy pompowaniu do tyłu
Lasery z up-konwersją we włóknie Długość fali emitowanej jest krótsza niż długość fali pompy, Dwa lub więcej fotonów jednocześnie przenosi jon do stanu wzbudzonego, Światłowody chętnie wykorzystywane z uwagi na małą powierzchnię rdzenia, co przekłada się na silne efekty nieliniowe, Szkło kwarcowe cechuje pasmo fononów o wysokiej energii (krótki poziom życia stanu metastabilnego), dlatego bardziej pożądane są szkła ciężkie, np. ZBLAN Przykłady laserów światłowodowych wykorzystujących proces up-konwersji: - niebieski laser na bazie tulu (1130 nm 480 nm) - zielony laser na bazie erbu (980 nm 546 nm) - laser na bazie prazeodymu i iterbu (880 nm 635 nm, 605 nm, 520 nm, 491 nm) We wszystkich przypadkach użyto osnowy ZBLAN.
Światłowodowe wzmacniacze wysokich mocy średnich
Wzmacniacze wysokich mocy średnich Stosowane domieszki: Er 3+, Nd 3+, Yb 3+ Rozmiar rdzenia niepraktyczny dla wiązek pompujących o kiepskiej jakości przestrzennej koncepcja światłowodu z podwójnym płaszczem (1974) pompa płaszcz wewnętrzny rdzeń płaszcz zewnętrzny światło wzmocnione n
Zalety wzmacniaczy wysokich mocy średnich Znacząca redukcja efektów termicznych z uwagi na: geometrię wysoką sprawność kwantową (dla Yb: > 80%) Wykorzystanie diodowych laserów pompujących o kiepskiej jakości przestrzennej, za to wysokiej mocy i dobrej sprawności Brak ograniczenia na drogę wzmacniania (nie ma zasięgu Rayleigha)
Wady Długa droga interakcji światła w materiale + mały rozmiar modu = efekty nieliniowe: samomodulacja fazy (poszerzenie widma, trudności z kompresją) wymuszone rozpraszania Ramana wymuszone rozpraszanie Brillouina strata czystości spektralnej modu
Własności ośrodka Yb/szkło kwarcowe ośrodek kwazi 3-poziomowy czas życia górnego poziomu 2 ms szerokość pasma > 100 nm (teoretycznie: 16 fs) U sat = 40-80 J/cm 2 defekt kwantowy 3.5% - 9.5%
Światłowód z podwójnym płaszczem Metody wydajnego przekazywania energii z pompy do rdzenia: Średnica płaszcza 400mm
Praca jednomodowa pożądana V < 2.405 Trzeba zmniejszać NA! Najniższe NA 0.06 (metoda MOCVD) rozmiar rdzenia 15 mm @ 1mm większy rozmiar oznacza propagację wyższych modów
Praca jednomodowa pożądana LMA Large Mode Area (nawet do 65 mm średnicy) Selekcja modu podstawowego przez: Nawijanie (coiling) Zwężanie światłowodu
Nawijanie (coiling)
2004-1.36kW pracy ciągłej - rdzeń: 40 mm, NA<0.05, V = 5.7 - płaszcz: 650/600 mm, D-shaped, NA = 0.48 - długość światłowodu 12 metrów - straty modu LP 01 < 0.04dB/m @ R > 10 cm - straty modu LP 11 1dB/m @R = 12 cm -końcówki światłowodu bez pokryć, prostopadłe do osi - wprowadzenie pompy 90% - końcówka światłowodu jako OC Y. Jeong, J. K. Sahu, D. N. Payne, and J. Nilsson, Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kw continuous-wave output power, Opt.Express, vol. 12, pp. 6088 6092, 2004
2004-1.36kW pracy ciągłej - sprawność kwantowa 95% - M 2 : 1.4 (bez optymalizacji) - gęstość mocy: 1.5 W/mm 2 (próg: > 6 W/mm 2 ) Y. Jeong, J. K. Sahu, D. N. Payne, and J. Nilsson, Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kw continuous-wave output power, Opt.Express, vol. 12, pp. 6088 6092, 2004
2002 - Nieliniowość pod kontrolą - start: 180 fs @ 1060nm, 75 MHz, 100mW - długość światłowodu: 9 m - rdzeń: 30 mm, NA = 0.06 - siatki transmicyjne >94% - płaszcz: 400 mm, D-shaped, NA = 0.38 duty cycle 0.45 - V 5 (4 mody) - Zwinięty do R < 10cm 1,54um Jens Limpert, T. Schreiber, T. Clausnitzer, K. Zöllner, H. Fuchs, E. Kley, H. Zellmer, and A. Tünnermann,High-power femtosecond Yb-doped fiber amplifier, Optics Express, Vol. 10, Issue 14, pp. 628-638
(2003) Układ CPA L = 13.5 m, rdzeń: 28.5 mm, NA = 0.06 140W, M 2 = 1.1 300 m światłowodu w(p=15mw) = 22.7 nm Sprawność kompresora 54% Stopień polaryzacji 50% L = 15 m, rdzeń: 10 mm, NA = 0.08 2W
Światłowód fotoniczny w kierunku większych rozmiarów rdzenia
Światłowody fotoniczne Mogą być jednomodowe dla szerokiego zakresu długości fal Dobór wielkości i gęstości dziur zapewnia lepszą kontrolę NA; można zwiększyć średnice rdzenia nawet do 100 mm, komercyjnie dostępne: 85 mm. Płaszcz zewnętrzny: n 1 (air- clad), zapewnia duże NA dla pompy; Płaszcz nie musi by duży, co oznacza lepsze wzmocnienie
Jak powstaje światłowód fotoniczny Składanie i wyciąganie J. Knight,T.Briks, P.Russell, andd.atkin, All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding, Opt. Lett., vol. 21, pp. 1547 1549, 1996
PMF (ang. Polarizat Maintaining Fiber)
2005 131W, 220 fs, 73 MHz - start: 150 fs @ 1040nm, 73 MHz - rozciągnięcie do 120 ps - 2 identyczne światłowody fotoniczne: 1.2 m - rdzeń: 40 mm, NA = 0.03 - płaszcz: 170 mm, NA = 0.62 - absorpcja pompy: 15dB/m @ 976nm - sprawność: 75% - M 2 < 1.2 - widmo nienaruszone - stopień polaryzacji 1:5 F. Röser, J. Rothhard, B. Ortac, A. Liem, O. Schmidt, T. Schreiber, and J. Limpert, 131 W 220 fs fiber laser system, Opt. Letters, vol. 30, pp. 2754, 2005
2007 90W, 100uJ, 900kHz - start: 8 ps @ 1032nm, 18 MHz, 9 mw - rozciągnięcie do 120 ps - przedwzmacniacz: światłowód fotoniczny 1.2 m, rdzeń: 30 mm, do 1.2W - strata na modulatorze: 60% - reszta podobna do konfiguracji poprzedniej - sprawność: 40% - 700 fs - całka B 3p F. Röser, D. Schimpf, O. Schmidt, B. Ortaç, K. Rademaker, J. Limpert, and A. Tünnermann1, 90W average power 100uJ energy femtosecond fiber chirped-pulse amplification system, Opt. Letters, vol. 32, pp. 2230, 2007
2007 0.7mJ @ 100 khz -rozciągnięcie do 2 ns z widma 3.3 nm - strata na modulatorze: 75% - światłowody po 1.2 m - pierwszy PM - drugi zanurzony w wodzie - sprawność: 66%, 50%... - 0.5mJ, 780 fs, 200 khz, B = 4.7-0.7mJ, 800 fs, 100 khz, B =?? - 1.45mJ, 800 fs, 50 khz, B = 7 - M 2 < 1.2 - stopień polaryzacji 98% Wniosek autorów: Fiber CPA ma potecjał na mj impulsy @ MHz F. Röser, D. Schimpf, O. Schmidt, B. Ortaç, K. Rademaker, J. Limpert, and A. Tünnermann1, Millijoule pulse energy high repetition rate femtosecond fiber chirped-pulse amplification system, Opt. Letters, vol. 32, pp. 3495, 2007
Lasery światłowodowe pracy ciągłej
Modularne układy lasera pracy ciągłej Zasilacz wysokiej mocy 10-40 kw Łączone w jeden światłowód o dużej Średnicy np. 100 mm 5kW mocy optycznej Pojedyncze moduły do kilku set wattów wiązki jednomodowej
Kącik historyczny 1962 pierwszy laser na ośrodku Yb-szkło H. W. Etzel, H. W. Gandy, R. J. Ginther, Stimulated emission of infrared radiation from Ytterbium-activated silica glass, Applied Optics, Vol. 1, 534, 1962. 1974 światłowód z podwójnym płaszczem R. Maurer, Optical waveguide light source, U.S. Patent 3 808 549, Apr. 30, 1974. 1992 pomysł kryształu fotonicznego E. Yablonovitch "Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics", Phys. Rev. Lett., Vol. 58, 2059 (1987) S. John, "Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices", Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987) 1996 pierwszy światłowód fotoniczny J. Knight,T.Briks, P.Russell, andd.atkin, All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding, Opt. Lett., vol. 21, pp. 1547 1549, 1996
Kącik historyczny Band Description Wavelength Range O band original 1260 to 1360 nm E band extended 1360 to 1460 nm S band short wavelengths 1460 to 1530 nm C band conventional ("erbium window") 1530 to 1565 nm L band long wavelengths 1565 to 1625 nm U band ultralong wavelengths 1625 to 1675 nm
Kącik historyczny
Lasery światłowodowe pracy ciągłej
Modularne układy lasera pracy ciągłej Zasilacz wysokiej mocy 10-40 kw Łączone w jeden światłowód o dużej Średnicy np. 100 mm 5kW mocy optycznej Pojedyncze moduły do kilku set wattów wiązki jednomodowej
2002 Nieliniowość pod kontrolą Dyspersja + SPM + wzmocnienie Paraboliczne impulsy z fazą I rzędu Wyniki: - sprawność 63% - modelowanie zgodne z eksperymentem - impuls 80 fs - wiązka 10.2W Jens Limpert, T. Schreiber, T. Clausnitzer, K. Zöllner, H. Fuchs, E. Kley, H. Zellmer, and A. Tünnermann,High-power femtosecond Yb-doped fiber amplifier, Optics Express, Vol. 10, Issue 14, pp. 628-638