ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО УСИЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ В ДИАПАЗОНЕ 1000-1700 НМ, СПОСОБЫ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2007 года по МПК H01S3/67 G02B6/00 C03C13/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к волоконной оптике, а более точно - к волоконному световоду для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, способам изготовления этого волоконного световода и волоконному лазеру, в котором использован указанный волоконный световод.

Изобретение может быть использовано в системах оптической связи в качестве широкополосных усилителей и лазеров, работающих в диапазоне прозрачности кварцевого стекла 1000-1700 нм. Изобретение может быть использовано также для создания перестраиваемых и фемтосекундных волоконных лазеров, требующих широкой полосы усиления активного вещества. Предлагаемый лазер может быть использован в областях, где требуется спектрально-селективное воздействие излучения на ткани, в частности в медицине, а также при обработке материалов, диагностике окружающей среды и в химии.

Предшествующий уровень техники

Известны сообщения о люминесценции в ближней ИК-области спектра в диапазоне 1000-1600 нм в легированных оксидом висмута стеклах - силикатных, фосфатных, германатных, боратных (см., например, публикацию Y. Fujimoto and M.Nakatsuka в журнале Jpn. J. Appl. Phys., 40 (2001), стр. L279). В указанных стеклах люминесценция имеет полосу шириной более 100 нм и время жизни более 100 мкс, спектральное положение полосы зависит от состава стекла.

В статье X. Meng et al. в журнале Optics Express, 13 (2005), стр.1635 сообщается о наблюдении в спектре поглощения бариево-алюмо-боратных стекол, легированных висмутом, двух пиков поглощения, обусловленных люминесцирующими центрами, на длинах волн 465 и 700 нм. В статье X. Meng et al., Optics Express, 13(2005), стр. 1628 сообщается о наблюдении в спектре поглощения алюмо-фосфатных стекол, легированных висмутом, двух пиков поглощения, обусловленных люминесцирующими центрами, на длинах волн 460 и 700 нм и о наблюдении в спектре поглощения алюмо-германатных стекол, легированных висмутом, трех пиков поглощения, обусловленных люминесцирующими центрами, на длинах волн 500, 700 и 800 нм и плеча на 1000 нм.

В статье Y. Fujimoto and M.Nakatsuka, Jpn. J. Appl. Phys., 40 (2001) стр. L279 сообщается о наблюдении в спектре поглощения алюмо-силикатного стекла, легированного висмутом, трех пиков поглощения, обусловленных люминесцирующими центрами, на длинах волн 500, 700 и 800 нм. В статье отмечается, что исследованные кварцевые и алюмо-кварцевые стекла проявляют люминесцентные свойства только при совместном легировании стекла висмутом и алюминием.

Теми же авторами (Appl. Phys. Lett., 82 (2003), стр. 3325) было продемонстрировано усиление пробного сигнала на длине волны 1300 нм в алюмосиликатном стекле, легированном висмутом, при накачке с длиной волны 808 нм, при этом величина коэффициента усиления была ниже оптических потерь в образце в этой области спектра.

Общим недостатком работ является высокий уровень оптических потерь в области люминесценции и отсутствие превышения коэффициентом усиления этого уровня оптических потерь, что приводит к невозможности создания усиливающих устройств на основе этих стекол.

Опубликованные данные не позволяют сделать заключения о принципиальной возможности создания усиливающих устройств на основе подобных стекол или световодов подобного состава. Увеличение интенсивности пробного сигнала при накачке может быть обусловлено насыщением поглощения, и в этом случае не может быть использовано для оптического усиления.

Наиболее близким к заявленному изобретению является волоконный световод для оптического усиления излучения (см., например, патент JP2004020994 "Стеклянное волокно для оптического усиления"). Волоконный световод для оптического усиления характеризуется тем, что число Аббе для стекла сердцевины световода больше или равно числу Аббе для материала оболочки, что позволяет добиться лучшего перекрытия поля моды накачки и поля моды сигнала, в результате чего улучшаются характеристики оптического усиления. При этом предпочтительно, чтобы сердцевина световода состояла из оксидного стекла, содержащего оксид висмута, что может обеспечить оптическое усиление в области 950-1600 нм. Сердцевина световода помимо оксида висмута содержит оксиды алюминия и двухвалентных металлов из группы MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO.

Однако в указанном патенте не раскрыто оптическое усиление в световодах указанного состава и превышение коэффициентом усиления уровня оптических потерь в усиливаемой области. Наличие люминесценции в стеклах подобного состава не гарантирует возможности получения оптического усиления. Таким образом, в патенте не указана принципиальная возможность использования указанных волокон для создания усиливающих излучение приборов.

Также в патенте не указаны пределы концентраций компонентов стекла сердцевины. Известно, что при избыточном количестве модификаторов сетки стекла в силикатных стеклах начинаются процессы разделения фаз, ведущие к образованию крупных оптических неоднородностей и росту оптических потерь на рассеяние света, что приводит к доминированию оптических потерь над усилением, а при избыточной концентрации активных центров - к концентрационному тушению, что ведет к снижению эффективности усиления вплоть до его исчезновения.

В патенте указан один из предпочтительных диапазонов использования 1300-1320 нм, в то же время в этой области интенсивность полосы люминесценции, приведенной на сопроводительном чертеже, падает примерно в два раза, а в области 1600 нм примерно на порядок по сравнению с максимальной в области 1180 нм, что значительно уменьшает эффективность усиления в этих областях спектра и приводит к проблемам, связанным с усиленной спонтанной люминесценцией. К недостаткам можно отнести также необходимость накачки активного волокна в одномодовую сердцевину для использования улучшенных характеристик оптического усиления, в то время как наиболее мощная и эффективная накачка в настоящее время достигается при использовании многомодовых диодных источников излучения. Таким образом, область применения изобретения ограничена, и изобретение не может быть использовано для создания мощных лазеров и усилителей.

Известен способ изготовления волоконного световода, раскрытый в патенте Японии JP 11029334. Указанный способ, согласно изобретению, заключается в смешивании мелкодисперсного цеолита с водным раствором нитрита висмута, последующем получении геля и спекании его после дегидратации, в результате чего получают силикатное стекло с примесью оксида висмута, из которого затем формируют световод. Предложенный способ является модификацией золь-гель метода, используемого для получения стекол.

В описании не приведено данных, характеризующих оптические потери в стеклах, полученных таким методом.

Известно, что световоды из стекла, изготовленного золь-гель методом, имеют относительно высокие оптические потери ввиду невозможности достижения в этом методе степени очистки стекла от нежелательных примесей, достижимой, например, при использовании методов осаждения из парогазовой фазы, что является недостатком золь-гель метода. Из кварцевых стекол, полученных золь-гель методом, невозможно получить качественные волоконные световоды, так как остатки химических реагентов в стекле при нагреве до высокой температуры, необходимой для вытягивания световода, образуют в стекле пузыри, что ведет к образованию дефектов в структуре световода, снижению его прочности, росту оптических потерь и зачастую приводит к разрушению стеклянной нити. Недостатком является относительно сложная технология изготовления, требующая длительного времени, как указано в описании, составляющая несколько недель.

Наиболее близким к заявленному изобретению является метод модифицированного химического осаждения из газовой фазы (MCVD) оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000°C и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при повышенной температуре 2000-2100°C для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод (см., например, "Optical Fiber Communications", Vol.1 Fiber Fabrication, Edited by Tingye Li, 1985 Academic Press, Inc.).

Другими наиболее близкими методами являются метод плазменного химического осаждения из газовой фазы (PCVD), его модификация (SPCVD), метод внешнего химического осаждения из газовой фазы (OVD), метод аксиального химического осаждения из газовой фазы (VAD) (см., например, "Optical Fiber Communications", Vol.1 Fiber Fabrication, Edited by Tingye Li, 1985 Academic Press, Inc.).

В указанных методах не раскрыта технология введения оксида висмута в оксидные стекла.

Наиболее близкими к заявленному волоконному лазеру являются волоконные лазеры на основе световодов из кварцевого стекла, содержащих редкоземельные ионы (см., например, публикацию Digonnet "Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers" (Лазеры и усилители на основе волоконных световодов с примесью редкоземельных металлов), второе издание, исправленное и расширенное, Marcel Dekker, Inc., 2001 г.). Описанные лазеры работают в различных областях диапазона 1000-1700 нм, соответствующего области прозрачности кварцевых стекол.

Недостатком является относительно малая ширина полос усиления в области 1000-1700 нм, обусловленная относительно узкими полосами люминесценции редкоземельных ионов в этой спектральной области в кварцевых стеклах, с шириной менее 100 нм, а также незначительное изменение спектрального положения полос люминесценции при изменении состава стекла. В результате как возможная область перестройки длины волны, так и минимальная длительность импульса таких лазеров ограничены, а значительная часть области прозрачности кварцевого стекла остается неиспользованной.

В настоящее время не известны эффективные лазеры и широкополосные усилители в области 1200-1500 нм, допускающие соединение активного волокна с волоконными световодами на основе кварцевого стекла путем сварки с низким уровнем вносимых оптических потерь.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм с оболочкой из кварцевого стекла, в котором заданное процентное содержание оксидов элементов, включая оксид висмута, позволит увеличить ширину полосы усиления по сравнению с известными усилителями на основе световодов из кварцевого стекла и обеспечить эффективное усиление за счет превышения коэффициентом оптического усиления по меньшей мере на порядок коэффициента нерезонансных потерь в волоконном световоде.

Задачей настоящего изобретения является также создание способов изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, в которых модификация способов осаждения из парогазовой фазы позволит обеспечить заданное процентное содержание оксидов элементов, включая оксид висмута, наиболее эффективно снизить концентрацию нежелательных примесей, получить световод с увеличенной шириной полосы усиления по сравнению с известными усилителями на основе световодов из кварцевого стекла и обеспечить эффективное усиление за счет превышения коэффициента оптического усиления по меньшей мере на порядок коэффициента нерезонансных потерь в волоконном световоде.

Задачей настоящего изобретения является также создание волоконного лазера для генерирования оптического излучения с длиной волны, находящейся в диапазоне длин волн в пределах от 1000 до 1700 нм, в котором использование волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 с определенным процентным содержанием компонентов позволит расширить диапазон перестройки длины волны лазера по сравнению с известными лазерами на основе кварцевых световодов, легированных ионами редкоземельных элементов, и обеспечить соединение активного световода со световодами из кварцевого стекла путем сварки, при этом обеспечить низкий уровень вносимых оптических потерь, а также обеспечить накачку световода, усиливающего излучение, коммерчески доступными и наиболее широко используемыми в волоконной оптике одномодовыми и многомодовыми диодными лазерами, в т.ч. работающими на длине волны 980 нм.

Поставленная задача решена путем создания волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, содержащего сердцевину из оксидного стекла, содержащую оксиды элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, и обеспечивающую оптическое усиление, и по меньшей мере одну оболочку из оксидного стекла, и характеризующегося тем, что сердцевина содержит оксиды элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, висмута, алюминия, галлия, при этом концентрация оксида висмута составляет 10^-4-5 мол.%, концентрация оксидов кремния и германия, взятых вместе или по отдельности, составляет 70-99,8999 мол.%, концентрация оксидов алюминия и галлия, взятых вместе или по отдельности, составляет 0,1-20 мол. %, концентрация оксида фосфора составляет от 0 до 10 мол. %, и обеспечивает максимальный коэффициент оптического усиления, по меньшей мере в 10 раз превышающий коэффициент нерезонансных потерь в волоконном световоде, внешняя оболочка из оксидного стекла состоит из кварцевого стекла, при этом сердцевина волоконного световода обеспечивает люминесценцию в области 1000-1700 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 750-1200 нм с шириной полосы люминесценции на половине высоты более 120 нм, границы полосы люминесценции определяются как точки, в которых интенсивность люминесценции падает в два раза по отношению к интенсивности в максимуме полосы люминесценции, и находятся внутри спектрального диапазона 1000-1700 нм, причем сердцевина имеет полосу поглощения в области 1000 нм, накачка в которую обеспечивает повышение энергетического преобразования излучения накачки в излучение люминесценции в указанном диапазоне 1000-1700 нм по сравнению с накачкой в другие полосы поглощения.

Целесообразно, чтобы волоконный световод содержал внешнюю защитную полимерную оболочку.

Полезно, чтобы относительная концентрация оксида кремния и оксида германия изменялась в пределах от 0 до 100%.

Предпочтительно, чтобы относительная концентрация оксида алюминия и оксида галлия изменялась в пределах от 0 до 100%.

Полезно, чтобы положение полосы оптического усиления волоконного световода определялось соотношением концентраций оксидов кремния и германия в составе стекла сердцевины, так что увеличение концентрации оксида германия_{приводит к сдвигу полосы оптического усиления в длинноволновую область.}

Предпочтительно, чтобы показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки был меньше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения накачки по сердцевине и оболочке волоконного световода.

Полезно, чтобы показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки был больше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения только по сердцевине волоконного световода.

Поставленная задача решена также путем создания способа изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающегося в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000^оС и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100^оС для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод, и характеризующегося тем, что дополнительно одновременно с указанными хлоридами пропускают через трубу из кварцевого стекла пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст., для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°C и образующиеся пары вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, чем достигают легирования стекла сердцевины оксидом висмута.

Предпочтительно, чтобы способ химического осаждения из газовой фазы был выбран из группы, состоящей из модифицированного метода химического осаждения из газовой фазы MCVD), плазменного метода осаждения из газовой фазы (PCVD) и его модификации (SPCVD).

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода модифицированным методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000^оС и получают на внутренней поверхности трубы пористый слой стекла, формирующего сердцевину, и характеризующийся тем, что заливают внутрь трубы раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, затем трубу нагревают в потоке кислорода, азота и хлорсодержащих реагентов до температуры 1700-2000^оС для преобразования пористого слоя стекла в сплошной слой, подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100^оС для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500^оС в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния, охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня, затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°C для преобразования пористого стекла в сплошное стекло и затем вытягивают световод, характеризующийся тем, что при формировании сердцевины легируют сердцевину волоконного световода оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°C и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500°C в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния, охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня, затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°C для преобразования пористого стекла в сплошное стекло и затем вытягивают световод, характеризующийся тем, что после формирования сердцевины стержень совместно с сердцевиной в виде пористого стекла охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, а затем переходят на стадию формирования оболочки.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину и оболочку в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500°C в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, при этом профиль показателя преломления задают регулированием пространственного распределения концентрации указанных хлоридов, подаваемых в пламя коаксиальной горелки, затем стержень из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°C для преобразования пористого стекла в сплошное стекло с получением заготовки, из которой затем вытягивают световод, характеризующийся тем, что при формировании заготовки легируют сердцевину оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°C и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов в центральную часть коаксиальной горелки, при этом в основном потоке при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500°C в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, характеризующийся тем, что после формирования сердцевины в виде пористого стекла ее охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, затем сердцевину из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°C для преобразования стержня из пористого стекла в стержень из сплошного стекла, затем формируют оболочку и получают заготовку, из которой затем вытягивают световод.

Целесообразно, чтобы оболочку формировали методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего осаждают из газовой фазы оксид кремния, образующийся при взаимодействии кислорода с парами хлорида кремния, на поверхность стержня сердцевины при температуре 1300-1500°C в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, которое затем нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°C для преобразования пористого стекла в сплошное стекло.

Полезно, чтобы оболочку формировали путем введения стержня сердцевины в полость кварцевой трубы и подвергали трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°C для получения заготовки световода в виде сплошного стержня.

Поставленная задача решается также тем, что в волоконном лазере для генерирования оптического излучения с длиной волны, находящейся в диапазоне длин волн в пределах от 1000 до 1700 нм, содержащем по меньшей мере один волоконный световод для усиления оптического излучения лазера, источник оптической накачки, устройство для ввода излучения накачки в указанный волоконный световод, резонатор оптического излучения, обеспечивающий многократное прохождение генерируемого лазером излучения по указанному световоду, устройство вывода генерируемого излучения из резонатора, согласно изобретению, в качестве волоконного световода для усиления оптического излучения лазера использован волоконный световод, выполненный по любому из пунктов 1-7.

Целесообразно, чтобы длины волн излучения накачки находились в диапазоне 750-1200 нм.

Полезно, чтобы длины волн излучения накачки, обеспечивающие наиболее высокую эффективность генерации, находились в диапазоне 850-1100 нм.

Предпочтительно, чтобы волоконный лазер содержал по меньшей мере одну брэгговскую решетку, записанную на сердцевине волоконного световода по любому из пунктов 1-7.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает спектр оптических потерь световода с примесью висмута, с сердцевиной, содержащей также Al₂O₃ и SiO_2, согласно изобретению.

Фиг.2 изображает спектры люминесценции в световодах с примесью висмута, с сердцевиной, содержащей также Bi₂O₃, Al₂O₃, GeO₂, P₂O₅, SiO₂ (кривая 1) и Bi₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ (кривая 2); пик в районе 1064 нм обусловлен излучением лазера Nd:ИАГ, использованным для возбуждения люминесценции, согласно изобретению.

Фиг.3 изображает схему лазера, в которой использованы для формирования резонатора брэгговские решетки, согласно изобретению.

Фиг.4 изображает схему лазера, в которой использован для формирования резонатора волоконно-оптический ответвитель, согласно изобретению.

Фиг.5 изображает спектры лазерной генерации для лазера с резонатором на основе волоконно-оптического ответвителя, при этом активное волокно имеет оболочку из плавленого кварца и сердцевину, содержащую Bi₂O₃, Al₂O₃, SiO_2, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения.

Волоконный световод для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм содержит сердцевину, обеспечивающую усиление, из оксидного стекла, и по меньшей мере одну оболочку из оксидного стекла.

Сердцевина содержит оксиды элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, висмута, алюминия, галлия, при этом концентрация оксида висмута составляет 10^-4-5 мол.%, концентрация оксидов кремния и германия, взятых вместе или по отдельности, составляет 70-99,9 мол.%, концентрация оксидов алюминия и галлия, взятых вместе или по отдельности, составляет 0,1-20 мол.%, и обеспечивает максимальный коэффициент усиления, по меньшей мере в 10 раз превышающий коэффициент нерезонансных потерь в волоконном световоде, что обеспечивает эффективное усиление.

Внешняя оболочка волоконного световода из оксидного стекла состоит из кварцевого стекла, что обеспечивает возможность соединения световода со световодами из кварцевого стекла путем сварки с низким уровнем вносимых оптических потерь.

Сердцевина указанного волоконного световода, в отличие от ряда других стекол, имеет полосу поглощения в области 1000 нм. Накачка в эту полосу обеспечивает наиболее эффективное энергетическое преобразование излучения накачки в излучение люминесценции в указанном диапазоне 1000-1700 нм по сравнению с накачкой в другие полосы поглощения. Это обеспечивается как более низкими квантовыми потерями, так и наименьшим поглощением из возбужденных состояний по сравнению с накачкой в другие полосы поглощения, которые расположены в более коротковолновой части спектра. Кроме того, появляется возможность накачки на длине волны 980 нм, соответствующей наиболее распространенной диодной накачке для иттербиевых и эрбий-иттербиевых лазеров в волоконной оптике.

Указанный волоконный световод обеспечивает люминесценцию в области 1000-1700 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 750-1200 нм с шириной полосы люминесценции на половине высоты более 120 нм, а границы полосы люминесценции, которые определяются как точки, в которых интенсивность люминесценции падает в два раза по отношению к интенсивности в максимуме полосы люминесценции, находятся внутри спектрального диапазона 1000-1700 нм.

В Таблице приведены концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия и висмута в сердцевинах некоторых из исследованных световодов для оптического усиления, обладающих наилучшим отношением максимального коэффициента усиления к оптическим потерям.

На фиг. 1 представлен характерный спектр потерь. Световод имеет оболочку из плавленого кварца и сердцевину, содержащую оксид кремния, оксид алюминия и оксид висмута. Уровень активных потерь на длине волны 1000 нм примерно в 50 раз превышает уровень оптических потерь в области 1,3 мкм, где интенсивность полосы поглощения уже незначительна.

На фиг.2 представлены характерные спектры люминесценции. Кривая 1 соответствуют описанному световоду с сердцевиной, содержащей оксид кремния, оксид алюминия и оксид висмута. Кривая 2 соответствует световоду с сердцевиной, состоящей из оксида кремния, оксида алюминия, оксида германия, оксида фосфора и оксида висмута, и получена при возбуждении с длиной волны 1064 нм лазером Nd:ИАГ. В световоде с сердцевиной без оксида германия полоса люминесценции имеет максимум в области 1120 нм и ширину 150 нм, в световоде с сердцевиной, содержащей оксид германия, полоса люминесценции имеет максимум в области 1205 нм и ширину 180 нм.

Например, максимальный коэффициент усиления на длине волны 1150 нм для изготовленного световода (при максимальном сечении люминесценции, достигаемом на данной длине волны 1150 нм и равном 6х10^-21см^-2), имеющего сердцевину, состоящую из оксида кремния, оксида алюминия и оксида висмута, составил 0,7 дБ/м, при этом нерезонансные оптические потери более чем в 70 раз ниже.

Усиление сигнала в этом световоде было продемонстрировано при накачке на длине волны 1064 нм лазером Nd:ИАГ. Источником сигнала служила брэгговская решетка с высоким коэффициентом отражения (более 20 дБ) на длине волны 1215 нм, записанная на германосиликатном световоде и приваренная к одному из торцов активного световода. Накачка производилась в сердцевину свободного торца германосиликатного световода, содержащего брэгговскую решетку путем фокусирования линзой излучения лазера на его торец. Вывод сигнала осуществлялся через свободный торец активного волокна. В этом случае после прохода отраженного от решетки сигнала через активный световод регистрировалось усиление, равное 9 дБ. Коэффициент усиления более чем в 20 раз превышал уровень нерезонансных оптических потерь в световоде. Коэффициент усиления находился в согласии с теоретически предсказаниями и отличался от максимально возможного ввиду недостаточной мощности накачки и избыточной длины световода, а также попадания излучения накачки в полосу усиления световода.

Волоконный световод в предпочтительном варианте воплощения содержит внешнюю защитную полимерную оболочку.

В заявляемом волоконном световоде концентрация оксида кремния по отношению к концентрации оксида германия изменяется в пределах от 0 до 100%, при этом концентрация оксида германия по отношению к концентрации оксида кремния изменяется в пределах от 100% до 0%.

Концентрация оксида алюминия по отношению к концентрации оксида галлия изменяется в пределах от 0 до 100%, при этом концентрация оксида галлия по отношению к концентрации оксида алюминия изменяется в пределах от 100% до 0%.

Положение полосы оптического усиления волоконного световода определяется соотношением концентраций оксидов кремния и германия в составе стекла сердцевины, так что увеличение концентрации оксида германия приводит к сдвигу полосы оптического усиления в длинноволновую область. Путем изменения соотношения концентраций компонентов стекла обеспечивается смещение максимума полосы усиления при накачке на 1064 нм в область 1300 нм в световоде с сердцевиной, содержащей оксид кремния, оксид алюминия, оксид германия и оксид висмута.

На фиг.2 представлены спектры люминесценции световода с сердцевиной, состоящей из оксида кремния, оксида алюминия и оксида висмута и световода с сердцевиной, состоящей из оксида кремния, оксида алюминия, оксида германия, оксида фосфора и оксида висмута. Добавка оксида германия приводит к смещению максимума полосы люминесценции в более длинноволновую область.

Показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки меньше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения накачки по сердцевине и оболочке волоконного световода. Это позволяет производить накачку световода по оболочке и использовать для накачки мощные многомодовые диодные лазеры.

В другом варианте выполнения показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки больше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения только по сердцевине волоконного световода, когда требуется выводить из световода паразитное излучение, распространяющееся по оболочке.

Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм осуществляется следующим образом.

Изготавливают заготовку волоконного световода методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000°C и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°C для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод.

Дополнительно одновременно с указанными хлоридами пропускают через трубу из кварцевого стекла пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст., для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°C и образующиеся пары вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, чем достигают легирование стекла сердцевины оксидом висмута.

В качестве способа химического осаждения из газовой фазы используют способ, выбранный из группы, состоящей из модифицированного метода химического осаждения из газовой фазы (MCVD), плазменного метода осаждения из газовой фазы (PCVD) и его модификации (SPCVD).

В Таблице приведены концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия и висмута в сердцевинах некоторых из исследованных световодов для оптического усиления. В частности, световоды № 4,7,11,14 изготовлены описанным выше способом MCVD, световод № 10 изготовлен способом PCVD и световод № 5 изготовлен способом SPCVD.

Возможен также способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, осуществляемый следующим образом.

Изготавливают заготовку волоконного световода модифицированным методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000°C и получают на внутренней поверхности трубы пористый слой стекла, формирующего сердцевину.

Заливают внутрь трубы раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов. После чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота.

Затем трубу нагревают в потоке кислорода, азота и хлорсодержащих реагентов до температуры 1700-2000^оС для преобразования пористого слоя стекла в сплошной слой. Подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°C для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод.

В Таблице приведены концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия и висмута в сердцевинах некоторых из исследованных световодов для оптического усиления. В частности, световоды № 2, 8, 15 изготовлены описанным выше способом MCVD осаждения из парогазовой фазы, при этом оксид висмута введен в сердцевину с использованием описанного метода пропитки пористого слоя стекла раствором, содержащим нитрат висмута.

В еще одном варианте способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм осуществляется следующим образом.

Изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500°C в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло.

Затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния.

Охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня. Затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°C для преобразования пористого стекла в сплошное стекло и затем вытягивают световод.

При формировании сердцевины легируют сердцевину волоконного световода оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°C и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.

В Таблице приведены концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия и висмута в сердцевинах некоторых из исследованных световодов для оптического усиления. В частности, световод № 13 изготовлен описанным выше способом внешнего осаждения из парогазовой фазы (OVD).

В еще одном варианте способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм осуществляется следующим образом.

Изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500^оС в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло.

Затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния. Охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня.

Затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600^оС для преобразования пористого стекла в сплошное стекло и затем вытягивают световод.

После формирования сердцевины стержень совместно с сердцевиной в виде пористого стекла охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов. После этого растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, а затем переходят на стадию формирования оболочки.

В Таблице приведены концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия и висмута в сердцевинах некоторых из исследованных световодов для оптического усиления. В частности, световод № 1 изготовлен описанным выше способом внешнего осаждения из парогазовой фазы (OVD), при этом оксид висмута введен в сердцевину с использованием описанного метода пропитки пористого слоя стекла раствором, содержащим нитрат висмута.

В еще одном варианте способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм осуществляется следующим образом.

Изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину и оболочку в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500^оС в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло.

При этом профиль показателя преломления задают регулированием пространственного распределения концентрации указанных хлоридов, подаваемых в пламя коаксиальной горелки. Затем стержень из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600^оС для преобразования пористого стекла в сплошное стекло с получением заготовки, из которой затем вытягивают световод. При формировании заготовки легируют сердцевину оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200⁰С и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт. ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов в центральную часть коаксиальной горелки, при этом в основном потоке при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.

В Таблице приведены концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия и висмута в сердцевинах некоторых из исследованных световодов для оптического усиления. В частности, световоды № 9, 12 изготовлены описанным выше способом аксиального осаждения из парогазовой фазы (VAD).

В еще одном варианте способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм осуществляется следующим образом.

Изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500°C в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло.

После формирования сердцевины в виде пористого стекла ее охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов. После этого растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, затем сердцевину из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600^оС для преобразования стержня из пористого стекла в стержень из сплошного стекла. Затем формируют оболочку и получают заготовку, из которой затем вытягивают световод.

В одном варианте воплощения формируют оболочку методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего осаждают из газовой фазы оксид кремния, образующийся при взаимодействии кислорода с парами хлорида кремния на поверхность стержня сердцевины при температуре 1300-1500°C в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, которое затем нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°C для преобразования пористого стекла в сплошное стекло.

В другом варианте воплощения формируют оболочку путем введения стержня сердцевины в полость кварцевой трубы и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°C для получения заготовки световода в виде сплошного стержня.

В Таблице приведены концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия и висмута в сердцевинах некоторых из исследованных световодов для оптического усиления. В частности, световод № 3 изготовлен описанным выше способом аксиального осаждения из парогазовой фазы (VAD), при этом оксид висмута введен в сердцевину с использованием описанного метода пропитки пористого слоя стекла раствором, содержащим нитрат висмута.

Волоконный лазер для генерирования оптического излучения с длиной волны, находящейся в диапазоне длин волн в пределах от 1000 до 1700 нм, содержит по меньшей мере один волоконный световод 1 для усиления оптического излучения лазера, источник 2 оптической накачки, устройство 3 для ввода излучения накачки в указанный волоконный световод, резонатор 4 оптического излучения, обеспечивающий многократное прохождение генерируемого лазером излучения по указанному световоду, устройство 5 вывода генерируемого излучения из резонатора.

Согласно изобретению, в качестве волоконного световода для усиления оптического излучения лазера использован волоконный световод, описанный выше.

Пример 1

Лазерная генерация была продемонстрирована на световоде с сердцевиной, состоящей из оксида кремния, оксида алюминия и оксида висмута, на длинах волн 1150, 1215, 1250 и 1300 нм при накачке на длине волны 1064 нм. Для формирования резонатора использовались брэгговские решетки (фиг.3). Решетки были записаны на стандартных германосиликатных световодах, выходные решетки имели коэффициент отражения 3дБ, парные им решетки имели высокий коэффициент отражения, более 20 дБ.

Максимальная выходная мощность, полученная при мощности накачки около 2,5 Вт, составляла 460 мВт на длине волны 1150 нм и 400 мВт на длине волны 1215 нм.

В случае генерации на длине волны 1150 нм порог генерации составил 210 мВт, а дифференциальная эффективность в пересчете на входную мощность была равна 20,4%. В случае генерации на длине волны 1215 нм порог составил 495 мВт, а дифференциальная эффективность - 28,6%. Эти величины находятся хорошо согласуются с теоретическими данными и могут быть значительно улучшены на практике путем:

а) использования световодов с записанными решетками, совпадающих по параметрам с активными световодами, что позволит уменьшить потери на участках сварках, которые составляли в рассматриваемом примере около 2 дБ за обход резонатора и были следствием различия в диаметрах модовых пятен световода, усиливающего излучение, и световодов, содержащих брэгговские решетки;

б) уменьшения избыточной длины активного световода, поскольку избыточная длина приводила к увеличению потерь в резонаторе в первую очередь за счет частично трехуровневого характера лазерной среды, т.е. за счет поглощения излучения генерации недостаточно накачанным участком световода, и в меньшей степени вследствие увеличения пассивных потерь.

Исходя из спектроскопических исследований, нельзя выделить причины, существенно ограничивающих эффективность генерации, поскольку поглощение из возбужденных состояний при накачке в полосу с максимумом в области 1000 нм мало.

Пример 2

Была исследована генерация в области 1120-1220 нм в схеме лазера (фиг.4), использующей волоконно-оптический ответвитель 6 для формирования резонатора. Ответвитель 6 был изготовлен на основе стандартного германосиликатного волокна. Резонатор, сформированный на его основе, имел высокий коэффициент отражения (более 80%) в полосе 1,1-1,2 мкм. Активное волокно имело оболочку из плавленого кварца и сердцевину, состоящую из SiO₂, Al₂O₃, Bi₂O₃. Спектры лазерной генерации, полученные в таком лазере при накачке на 1064 нм, показаны на фиг. 5а, б. Ввиду малой селективности резонатора при малом превышении порога генерации генерация осуществляется сразу на многих продольных модах, причем спектральное положение пиков нестабильно, т.е., осуществляется режим "свободной генерации". При увеличении мощности накачки число пиков сокращается, а при значительном превышении порога остается практически один максимум в области 1170 нм (фиг. 5б).

Как показано на фиг.5а, в свободном режиме генерация осуществляется в полосе шириной порядка 100 нм, которую можно использовать для перестройки длины волны лазерного излучения при введении в схему осуществляющих спектральную селекцию мод элементов. При этом ширину полосы можно расширить, снижая уровень паразитных потерь в резонаторе и оптимизируя схему лазера.

Длины волн излучения накачки находятся в диапазоне 750-1200 нм, что обеспечивает как более низкие квантовые потери, так и наименьшее поглощение из возбужденных состояний по сравнению с накачкой в другие полосы поглощения, которые расположены в более коротковолновой части спектра.

Длины волн излучения накачки, обеспечивающие наиболее высокую эффективность генерации, находятся в диапазоне 850-1100 нм, где поглощение из возбужденных состояний мало, а активное поглощение более интенсивно, и перекрытие с полосой усиления меньше, чем в диапазоне 1100-1200 нм.

Возможен вариант воплощения (не показан), когда волоконный лазер содержит по меньшей мере одну брэгговскую решетку, записанную на сердцевине волоконного световода, обеспечивающего усиление, легированного германием.

Таким образом, предложен новый тип волоконного световода, который позволяет создавать лазеры в диапазоне 1000-1700 нм с перестройкой длины волны, превышающей аналогичные характеристики существующих лазеров. Изобретение позволяет создавать эффективные волоконные лазеры и широкополосные усилители в области первого телекоммуникационного окна прозрачности на 1300 нм и в ранее практически не использовавшихся диапазонах 1000-1200 и 1400-1500 нм. Изобретение позволяет создавать новые перестраиваемые и фемтосекундные волоконные лазеры в области 1000-1700 нм. Большим достоинством изобретения является возможность сращивания активных волокон с волокнами на основе кварцевого стекла путем их сварного соединения при малом уровне вносимых оптических потерь.

Таблица
Концентрации оксидов кремния, германия, алюминия, галлия, фосфора и висмута в сердцевинах некоторых световодов для оптического усиления, обладающих наилучшим отношением максимального коэффициента усиления к оптическим потерям№SiO₂, мол.%GeO₂, мол.%Al₂O₃, мол.%Ga₂O₃, мол.%P₂O₅, мол.%Bi₂O₃, мол.%195-5--0,0001295310,50,50,08393,52-1,510,00549324-0,90,15921,350,3-0,0016893-51,50,02787,51,57-22891-9--0,03988,591-1,50,0021088-10--0,51186112-10,004128056161,11378201-0,90,114-982--0,011546521--0,6

Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике. Волоконный световод для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм содержит сердцевину из оксидного стекла и оболочку из оксидного стекла. Сердцевина содержит оксид висмута, а также оксиды элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия. Световод обеспечивает люминесценцию в области 1000-1700 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 750-1200 нм с шириной полосы люминесценции на половине высоты более 120 нм. Способ изготовления волоконного световода заключается в изготовлении заготовки световода, формировании сердцевины. Пропускают через трубу из кварцевого стекла, служащую оболочкой, кислород, пары хлоридов элементов, выбранных из вышеупомянутой группы. Трубу подвергают сжатию для получения заготовки в виде сплошного стержня. Из стержня вытягивают световод. Одновременно с хлоридами пропускают через трубу пары хлорида висмута. Волоконный лазер содержит волоконный световод, источник накачки, устройство ввода излучения в волоконный световод, резонатор, устройство вывода генерируемого излучения из резонатора. Технический результат - увеличение ширины полосы усиления, обеспечение эффективного усиления, создание способов изготовления волоконного световода, позволяющих обеспечить снижение концентрации нежелательных примесей, расширение диапазона перестройки длины волны лазера. 8 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Волоконный световод для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, содержащий сердцевину из оксидного стекла, содержащую оксиды элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, и обеспечивающую оптическое усиление, и по меньшей мере одну оболочку из оксидного стекла, отличающийся тем, что сердцевина дополнительно содержит оксид висмута, при этом концентрация оксида висмута составляет 10^-4-5 мол.%, концентрация оксидов кремния и германия, взятых вместе или по отдельности, составляет 70-99,8999 мол.%, концентрация оксидов алюминия и галлия, взятых вместе или по отдельности, составляет 0,1-20 мол.%, концентрация оксида фосфора составляет от 0 до 10 мол.%, и обеспечивает максимальный коэффициент оптического усиления по меньшей мере в 10 раз превышающий коэффициент нерезонансных потерь в волоконном световоде, внешняя оболочка из оксидного стекла состоит из кварцевого стекла, при этом сердцевина волоконного световода, обеспечивающая оптическое усиление, имеет люминесценцию в диапазоне 1000-1700 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 750-1200 нм с шириной полосы люминесценции на половине высоты более 120 нм, границы полосы люминесценции определяются как точки, в которых интенсивность люминесценции падает в два раза по отношению к интенсивности в максимуме полосы люминесценции, и находятся внутри спектрального диапазона 1000-1700 нм, сердцевина волоконного световода имеет полосы поглощения, причем при накачке в полосу поглощения в области 1000 нм обеспечивается повышение энергетического преобразования излучения накачки в излучение люминесценции в указанном диапазоне 1000-1700 нм по сравнению с накачкой в другие полосы поглощения.2. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что содержит внешнюю защитную полимерную оболочку.3. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что относительная концентрация оксида кремния и оксида германия изменяется в пределах от 0 до 100%.4. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что относительная концентрация оксида алюминия и оксида галлия изменяется в пределах от 0 до 100%.5. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что положение полосы люминесценции в волоконном световоде определяется соотношением концентраций оксидов кремния и германия в составе стекла сердцевины, так что увеличение концентрации оксида германия приводит к сдвигу полосы люминесценции в длинноволновую область.6. Волоконный световод по п.2, отличающийся тем, что показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки меньше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения накачки по сердцевине и оболочке волоконного световода.7. Волоконный световод по п.2, отличающийся тем, что показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки больше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения только по сердцевине волоконного световода.8. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000°С и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°С для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод, отличающийся тем, что дополнительно одновременно с указанными хлоридами пропускают через трубу из кварцевого стекла пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст., для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°С и образующиеся пары вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, чем достигают легирования стекла сердцевины оксидом висмута.9. Способ по п.8, отличающийся тем, что способ химического осаждения из газовой фазы выбран из группы, состоящей из модифицированного метода химического осаждения из газовой фазы(MC), плазменного метода осаждения из газовой фазы (PCVD) и его модификации (SPCVD).10. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода модифицированным методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000°С и получают на внутренней поверхности трубы пористый слой стекла, формирующего сердцевину, отличающийся тем, что заливают внутрь трубы раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, затем трубу нагревают в потоке кислорода, азота и хлорсодержащих реагентов до температуры 1700-2000°С для преобразования пористого слоя стекла в сплошной слой, подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°С для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод.11. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния, охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня, затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования пористого стекла в сплошное стекло, и затем вытягивают световод, отличающийся тем, что при формировании сердцевины легируют сердцевину волоконного световода оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°С и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.12. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния, охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня, затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования пористого стекла в сплошное стекло, и затем вытягивают световод, отличающийся тем, что после формирования сердцевины стержень совместно с сердцевиной в виде пористого стекла охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, а затем переходят на стадию формирования оболочки.13. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину и оболочку в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, при этом профиль показателя преломления задают регулированием пространственного распределения концентрации указанных хлоридов, подаваемых в пламя коаксиальной горелки, затем стержень из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования пористого стекла в сплошное стекло с получением заготовки, из которой затем вытягивают световод, отличающийся тем, что при формировании заготовки легируют сердцевину оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°С и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов в центральную часть коаксиальной горелки, при этом в основном потоке при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.14. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, отличающийся тем, что после формирования сердцевины в виде пористого стекла ее охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 часов, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, затем сердцевину из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования стержня из пористого стекла в стержень из сплошного стекла, затем формируют оболочку и получают заготовку, из которой затем вытягивают световод.15. Способ по п.14, отличающийся тем, что формируют оболочку методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего осаждают из газовой фазы оксид кремния, образующийся при взаимодействии кислорода с парами хлорида кремния на поверхность стержня сердцевины при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, которое затем нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования пористого стекла в сплошное стекло.16. Способ по п.14, отличающийся тем, что формируют оболочку путем введения стержня сердцевины в полость кварцевой трубы и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°С для получения заготовки световода в виде сплошного стержня.17. Волоконный лазер для генерирования оптического излучения с длиной волны, находящейся в диапазоне длин волн в пределах от 1000 до 1700 нм, содержащий по меньшей мере один волоконный световод для усиления оптического излучения лазера, источник оптической накачки, устройство для ввода излучения накачки в указанный волоконный световод, резонатор оптического излучения, обеспечивающий многократное прохождение генерируемого лазером излучения по указанному световоду, устройство вывода генерируемого излучения из резонатора, отличающийся тем, что в качестве волоконного световода для усиления оптического излучения лазера использован волоконный световод, выполненный по любому из пп.1-7.18. Волоконный лазер по п.17, отличающийся тем, что длины волн излучения накачки находятся в диапазоне 750-1200 нм.19. Волоконный лазер по п.17, отличающийся тем, что длины волн излучения накачки, обеспечивающие наиболее высокую эффективность генерации, находятся в диапазоне 850-1100 нм.20. Волоконный лазер по п.17, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одну брэгговскую решетку, записанную на сердцевине волоконного световода по любому из пп.1-7.