Рис. 2. Схема многокаскадного усиления в волокнах путем
набора мощности излучения от нескольких лазеров с меньшей мощностью:

1. задающий волоконный лазер;
2. соединяющее световое волокно;
3. изолятор;
4. мощный усиливающий волоконный лазер первой ступени;
5. мощный усиливающий волоконный лазер второй ступени;
6. лазерный луч;
7. лазерные диоды;
8. фокусирующие системы лазерных диодов

Рис. 3. Схема мощного волоконного лазера:

1. волоконные лазеры мощностью 100 Вт;
2. мощный волоконный лазер;
3. волокно, передающее суммированное излучение;
4. фокусирующая система;
5. обрабатываемая деталь

Исторически первыми вызвали интерес волоконные лазеры непрерывной генерации (англ. CW-lasers), легированные неодимом и работающие на длине волны около 800 нм. Благодаря широкой полосе поглощения они хорошо перестраиваются в пределах 50–60 нм. Обычно они применяются для генерации на длинах волн свыше 1360 мкм, для более коротких длин волн предусмотрено легирование неодимом ZBLAN-волокон.

Иттербиевые лазеры по длинам волн генерации в значительной степени подобны неодимовым. Однако благодаря отсутствию поглощения с возбужденных уровней (эффект, при котором возбужденные энергетические уровни не только усиливают вынужденное излучение, но и поглощают излучение накачки, переходя на более высокий энергетический уровень) легирование ионами иттербия позволяет получить большую мощность. Верхний предел на их излучаемую мощность определяет плотность излучения, которая, превышая 1 ГВт/см2, может приводить к сильным нелинейным эффектам. Поэтому на практике требуется искать баланс между диаметром сердцевины, чье увеличение позволяет повысить мощность накачки, и значением числовой апертуры, которая при этом уменьшается. 10-киловаттная мощность лазерной установки может потребовать диаметр сердцевины, равный 100 мкм, и внутреннюю оболочку (волновод накачки) диаметром в 1 мм, что не очень удобно. Одним из оригинальных решений для лазеров подобной мощности стало изготовление волокна, в котором легированная сердцевина скручена в спираль.

Волоконные лазеры, использующие эрбиевое волокно (иногда с примесями Yb2O3 для сенсибилизации), позволяют получать генерацию как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне. Для их накачки применяются GaAs-полупроводниковые и Nd:YAG-лазеры. Они наиболее эффективны при накачке на длинах волн 950 или 1480 нм, где отсутствует поглощение с возбужденных уровней. Преимуществом эрбиевых лазеров является возможность перестройки длины волны в широком диапазоне, что также используется для уменьшения спектральной ширины линии генерации. С помощью связанных резонаторов был создан лазер, способный генерировать излучение на двух различных длинах волн с шириной каждой из них в 16 кГц.

Для получения мощных наносекундных импульсов с частотой следования в единицы и десятки килогерц часто применяется модуляция добротности. Использующие ее волоконные лазеры способны генерировать излучение с энергией порядка 1 мДж в импульсе с пиковой мощностью более 100 кВт.

Модуляция добротности на практике может достигаться различными способами. Внутрирезонаторные акустооптические модуляторы были использованы еще в середине 1980-х, а к концу 1990-х стали применяться эрбиевые волоконные лазеры с длиной активного волокна до 79 см и площадью мод, работающие с помощью задающих генераторов. Нелинейные процессы во время рассеяния Рамана или Мандельштама-Бриллюэна, которые приводили к самомодуляции добротности обычного (нелегированного) волокна, были известны довольно давно. В 1998 году получена генерация импульсов длительностью 2 нс с помощью неодимового волоконного лазера, к которому было присоединено десяти­метровое одномодовое волокно. Обратная волна Стокса заходила в резонатор лазера в виде коротких импульсов, что и приводило к необходимому режиму генерации. Через два года был продемонстрирован 4-метровый иттербиевый лазер, генерировавший импульсы длительностью около 100 нс. Необходимо отметить, что на практике без дополнительных устройств стохастическая природа этих типов рассеяния приводит к нестабильности амплитуды генерации. Обычным методом получения пико- и фемтосекундных лазерных импульсов является синхронизация мод. В волоконном лазере одновременно может излучаться большое количество продольных мод с частотным расстоянием между ними. О синхронизации мод говорят в том случае, когда между любыми соседними модами возникает одна и та же разница в фазе. Тогда интенсивность излучения будет пропорциональна функции, зависящей от количества связанных мод M и разницы частот между ними. Результатом является испускание лазером последовательности импульсов с малой длительностью с промежутком между ними.

В волоконных лазерах используют несколько типов синхронизации мод. Активная синхронизация заключается в модуляции оптического поля по амплитуде или фазе. Для волоконных лазеров приемлемыми по габаритам и потерям при подключении к волоконным приборам являются LiNbO3-электрооптические модуляторы. Длительность импульсов и промежуток между ними определяются конструкцией резонатора. Так, в кольцевом резонаторе с подключенным к нему обычным волокном длиной 2 км с сильной аномальной дисперсией можно получить длительность импульса около 4 пс.

Резонатор Фабри-Перо позволяет достичь длительностей порядка пикосекунд. Существуют приборы, способные получать импульсы длительностью до 10 пс при частоте их следования до 10 ГГц. Однако общей проблемой лазеров подобного типа является неустойчивость амплитуды импульсов при длительном периоде генерации. В полностью волоконной конструкции с активной синхронизацией мод используется взаимная фазовая модуляция. Для получения фемтосекундных импульсов применяется пассивная синхронизация мод. В этом случае используется некоторый нелинейный элемент, при прохождении которого импульс становится уже. В роли нелинейных элементов могут выступать так называемые насыщаемые поглотители, нелинейные зеркала типа волоконной петли и др. Идея использования насыщаемого поглотителя состоит в том, что при распространении импульса через такой прибор его края поглощаются существенно сильнее, чем центр (амплитуда которого намного больше). Это эквивалентно уменьшению длительности импульса. Существуют образцы лазеров, использующие насыщаемые поглотители для генерации импульсов длительностью 320 фс. Нелинейные зеркала, или нелинейное вращение поляризации, позволяют создать полностью волоконную конструкцию.

Даже в одномодовом волокне существует связь между модами с близкими постоянными распространения и ортогональными поляризациями. Для волоконно-оптических линий связи это является фактором, ограничивающим пропускную способность и длину, так как предпочтительным является сохранение поляризации при распространении импульса по волокну. Поляризация излучения волоконного лазера в общем случае нелинейным образом зависит от многих факторов, в частности от мощности накачки. Часто для подавления одной из ортогональных поляризаций применяют внутриволоконный поляризатор. В его роли выступает металлическая нить определенного сечения (например, в форме латинской буквы D), встроенная в волокно и протянутая вдоль его сердцевины. Для поляризации, ортогональной к плоской поверхности D-образной нити, омические потери будут достаточно сильными, чтобы значительно понизить ее интенсивность. Для создания другого типа волоконного поляризатора, основанного на том же физическом принципе, оптическое волокно обрабатывается таким образом, что на расстоянии порядка длины волны от сердцевины образуется полированная поверхность, на которую напыляется слой металла. Экспериментальные исследования описанных конструкций показывали разницу амплитуд поляризаций до 25 дБ в инфракрасном диапазоне при выходной мощности порядка нескольких милливатт и КПД около 25%. Принципиально иной метод заключается в использовании оптических волокон с сильным двулучепреломлением мод. Это волокна, в которых искусственно создана асимметрия канала распространения света, например путем создания эллиптической сердцевины или боковых выемок, вызывающих механические напряжения в волокне в определенном направлении. В них моды с различной поляризацией имеют различные постоянные распространения. Генерации необходимой поляризации добиваются с помощью внутриволоконных брэгговских решеток, в которых коэффициент отражения зависит от поляризации для резонатора Фабри-Перо.

Известны Up-конверсионные (ап-конвер­сионные) лазеры, в которых длина волны излучения меньше, чем длина волны накачки (в большинстве обычных лазеров, накачиваемых светом, реализуется противоположная ситуация). Up-конверсионная схема накачки заключается в поглощении активной средой нескольких фотонов, вследствие чего энергия перехода c конечного энергетического уровня превышает энергию каждого из поглощенных фотонов. В волоконных лазерах ее применение часто требует использования флюоридных волокон (ZBLAN). Up-конверсия используется в тулий-, эрбий- и празеодим/иттербий-легированных лазерах. Необходимо отметить, что каждый энергетический уровень иона, используемого для генерации, является уширенным вследствие взаимодействия с матрицей. Up-конверсия представляет значительный интерес, так как позволяет создавать лазеры, работающие в синей области спектра при использовании накачки в красном или инфракрасном диапазоне. Up-конверсионная схема для волокон, легированных им, позволяет получать генерацию красного, оранжевого, зеленого и синего цветов. Часто применяется дополнительное легирование иттербием, благодаря очень широкой полосе поглощения лежащей в диапазоне работы мощных GaAs ЛД. Ионы Yt³⁺ служат в качестве сенсибилизаторов (частиц, передающих энергию между различными уровнями ионов, служащих для генерации).

Преобразование частоты генерации лазера может быть осуществлено с помощью вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР, эффект Рамана). В стеклах оно проявляется существенно слабее, чем в некоторых нелинейных кристаллах и жидкостях, но благодаря низким оптическим потерям в оптическом волокне ВКР происходит достаточно эффективно для практического использования. Впервые эффект Рамана в волоконных лазерах был продемонстрирован Роджером Столеном в 1972 году, и с тех пор продолжается активная разработка волоконных ВКР-лазеров. Они представляют значительный интерес благодаря переносу частоты генерации в инфракрасную область спектра, где редкоземельные твердотельные лазеры малоэффективны. Вместе с дисперсионными резонаторами можно получить перестройку частоты в них в диапазоне 1,1–1,6 мкм при сохранении высокой выходной мощности. Резонаторы волоконных ВКР-лазеров создаются парами брэгговских решеток, которые рассчитываются на полное пропускание излучения накачки и заметное отражение на длине волны стоксовой компоненты рассеянного излучения (порядка 99,9% для полностью отражающего зеркала и 5% для выходного зеркала). Иногда применяют несколько пар решеток для получения стоксовых компонент более высоких порядков. Наиболее распространенными являются ВКР-лазеры, использующие германосиликатные волокна, поскольку в них эффективность вынужденного комбинационного рассеяния и фоточувствительность существенно выше, чем в чисто кварцевых волокнах, и растет с повышением концентрации германия. Типичный лазер непрерывной генерации накачивается другим YAG:Nd3+-лазером на длине волны 1,06 мкм. Первичная накачка неодимового лазера осуществляется лазерными диодами. Длина активного волокна может составлять 800 м. Резонаторы в нем создаются тремя и более парами (каскадами) брэгговских решеток. Подобный пятикаскадный лазер с длиной волны 1,48 мкм дает выходную мощность 1,5 Вт и используется для накачки волоконных усилителей в ВОЛС.

Основные преимущества волоконных лазеров:

• Высокий КПД, малое энергопотребление и масса, например системы LaserGraver представляют собой практически офисную технику, питание которой осуществляется от обычной розетки.
• Отсутствие водяного охлаждения, для компонентов волоконного лазера достаточно охлаждения воздушного.
• Отсутствие сменных элементов и профилактических операций со стороны оператора.
• Удобство для построения многолучевых оптических систем.
• Высокая надежность оборудования.
• В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество.
• Малая чувствительность к вибрациям.
• Если длина излучения волны у волоконного лазера l = 1,09 мкм, то она дает волоконному лазеру ряд преимуществ, поскольку излучение такой длины волны:
  - будет прекрасно фокусироваться через стеклянные линзы, что позволяет сэкономить денежные средства при установке фокусирующей системы;
  - может передаваться по волокну на большие расстояния. Поэтому сама лазерная установка может находиться в удобном для работы месте, а волокно от лазерной установки уже непосредственно протягивается на место сварки;
  - очень интенсивно поглощается металлом.
• Малый размер выходной апертуры луча (300 мкм) позволяет сфокусировать конечный лазерный луч в очень маленькую точку.
• Волоконный лазер имеет малую расходимость луча.
• Возможно создание излучателей высокой мощности до 100 кВт путем объединения излучений нескольких волоконных лазеров в одно.
• Для волоконных лазеров практически не требуется такое техническое обслуживание, как настройка, юстировка, чистка и др.
• Волоконные лазеры допускают размещение в обычных рабочих помещениях цехов без учета специальных требований.
• Компактность установок, обусловленная тем, что лазер может занимать удобное для работы месторасположение, даже если оно находится на значительном расстоянии от места сварки и обработки деталей.
• Возможность передачи излучения по световоду.
• Срок работы доходит до 100 000 часов, так как ЛД и волокно не испытывают большой нагрузки.
• Отсутствие настроечных операций на лазере.
• Высокая эффективность проплавления.

• опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объемом активного вещества. Волоконные лазеры проигрывают твердотельным в сферах применения, где требуется высокая стабильность поляризации, а использование сохраняющего поляризацию волокна затруднено по различным причинам.

Фирма НТО «ИРЭ-Полюс» разработала мощные модули лазерных диодов серии PDL с волоконным выходом. Модули серии PDL собираются на основе мощных высокоэффективных лазерных диодов с рабочей длиной волны 970 нм и с шириной излучающей области 100 мкм. Излучение лазерных диодов с помощью микрообъектива вводится в кварц-кварцевое многомодовое волокно диаметром 110 мкм. Все элементы модуля смонтированы в компактном герметичном корпусе. В нем могут быть также установлены ТЭО и датчик температуры.

Модули серии PDL могут быть использованы для накачки различных типов волоконных лазеров и усилителей. Изделия характеризуются малыми габаритами и массой. При этом они обладают очень высокой надежностью и превосходят по ресурсу существующие аналоги в десятки и сотни раз. Надежность модулей обеспечивается высоким уровнем технологии производства и чрезвычайно жесткой процедурой тестирования на всех этапах сборки каждого изделия. Модули допускают непрерывный и модулированный режим работы. Их основные параметры приведены в таблице 1, а внешний вид типичных моделей лазерных диодов — на рис. 4–7.

Рис. 4. Одиночный лазерный диод с изолированными от теплоотвода контактами ЛД05-975-хххх-хххх

Рис. 5. Матрица лазерных диодов на микроканальных теплоотводах МЛД01-ххх-yzzz-0000

Рис. 6. Лазерный модуль ЛМ-975-40-ТФ

Рис. 7. Лазерный модуль ЛМ-975-30-ТФ

ТАБЛИЦА 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЩНЫХ ЛД ДЛЯ НАКАЧКИ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ [6–8]