Оптоволоконные лазерные
и сенсорные системы
Из выступления д.ф.-м.н. С.А. Бабина.
Пять лет назад в ИАиЭ СО РАН была образована группа, а затем лаборатория волоконной оптики. За прошедшее время получено много интересных результатов в этой новой области.
Сначала несколько вводных слов. Оптическое волокно изготавливается из кварцевого стекла и имеет диаметр ~100 микрон, при этом сердцевина, легированная германием, имеет диаметр 5-10 микрон. В таком волноводе свет распространяется практически без потерь: потери минимальны для излучения 1,5 мкм и составляют ~0,2 дБ/км. Другим важным свойством является фоточувствительность: если облучать волокно ультрафиолетовым излучением, можно локально изменять показатель преломления. Периодические изменения интенсивности (например, в области интерференции УФ пучков) позволяют сформировать в волокне решетку показателя преломления — так называемую брэгговскую решетку, коэффициент отражения которой может достигать 99 %. В последние годы такие решетки стали применяться в качестве внутриволоконных лазерных зеркал, что привело к революции в лазерной технике — такой лазер не требует юстировки, обладает высокой эффективностью и стабильностью генерации. Другое применение брэгговских решеток основано на их высокой чувствительности к внешним воздействиям: температуре и деформациям. Эти два основных направления (волоконные лазеры и сенсоры) развиваются в лаборатории.
Основные наши достижения по волоконным лазерам следующие. Для наиболее распространенных и эффективных иттербиевых волоконных лазеров, имеющих максимум генерации в области 1,08 мкм, реализован режим плавной перестройки длины волны излучения в широком диапазоне (~50 нм). Кроме того, впервые получена эффективная непрерывная гененерация волоконных лазеров в видимой области спектра за счет оригинальной схемы внутрирезонаторного удвоения частоты. Другое важное достижение связано с исследованием механизмов уширения спектра генерации волоконных ВКР-лазеров, генерирующих в широкой области спектра (от 1,1 до 1,7 мкм). За счет большой интенсивности света и большой длины (~1 км) в резонаторе генерируется порядка миллиона продольных мод, связанных между собой процессами нелинейного взаимодействия, что приводит к стохастизации процесса генерации. Развита самосогласованная аналитическая теория на основе волновых кинетических уравнений, применявшихся ранее для описания турбулентности поверхностных, акустических, спиновых и других волн, которая отлично описывает экспериментальный спектр и его уширение с ростом мощности. Обнаруженное турбулентное уширение спектра ВКР-лазера является уникальным примером проявления одномерной волновой турбулентности света в оптическом волокне.
Далее была рассмотрена проблема: до каких пределов возможно увеличение длины ВКР-лазера? Совместно с группой из Бирмингема была получена генерация в лазере с рекордной длиной (84 км). Оказалось, что такой лазер обладает уникальными свойствами: при малой мощности он генерирует «гребенку» мод с очень маленьким интервалом (~1 КГц), а с увеличением мощности происходит стохастизация мод за счет нелинейной (турбулентной) дефазировки, и спектр становится «безмодовым». Причем, чем больше длина лазера, тем при меньшей мощности происходит стохастизация: для 84 км это ~100 мВт. В настоящее время ведутся работы по увеличению длины лазера до ~200 км.
Другой предельный случай — это очень короткие волоконные лазеры. Если в середине брэгговской решетки, записанной в активном волокне, сформировать сдвиг фазы решетки на величину пи, то такой лазер имеет эффективную длину резонатора менее длины волны. А эффективная длина усиления при этом велика — порядка длины решетки. Эти называемые лазеры с распределенной обратной связью позволяют получать одночастотный режим генерации. В наших экспериментах за счет автоподстройки частоты была получена очень узкая линия генерации (~1 КГц), при этом мощность достигает 2 Вт при использовании оптического усилителя. Этот уникальный прибор имеет большие перспективы в метрологии — работы в данном направлении ведутся совместно с ИЛФ СО РАН.
И, наконец, сенсорные системы. Датчики температуры и деформаций на брэгговских решетках имеют точность до 0,1 градуса и 10-6 соответственно. Кроме того, из брэгговских датчиков, записанных в одном волокне, можно формировать распределенные системы. Наши достижения связаны с применением спектрального и временного мультиплексирования брэгговских датчиков и использованием для опроса датчиков перестраиваемого волоконного лазера. Поскольку в такой сенсорной системе носителем информации является свет, распространяющийся по волокну, она отличается нечувствительностью к электромагнитным помехам, взрывобезопасностью, дистанционностью. Эти свойства привлекательны для применений в нефтегазовой и угольной отраслях, энергетике, мониторинге объектов капитального строительства, где данные системы находят применения. Другим примером сенсорной системы является разработанный в лаборатории фазочувствительный рефлектометр на основе импульсного одночастотного лазера. Сигнал рэлеевского рассеяния в этом случае имеет интерференционную структуру, очень чувствительную к внешним воздействиям, с возможностью определения места воздействия с точностью до нескольких метров. На этом принципе строятся охранные системы нового поколения с длиной периметра до нескольких десятков километров. В части практических применений лаборатория взаимодействует с компанией, имеющей соответствующую лицензию.
Таким образом, в лаборатории активно развиваются фундаментальные исследования новых физических явлений в оптических волокнах, разрабатываются лазерные и сенсорные системы на новых принципах и проводится работа по их внедрению в практику. Для успешного функционирования этой цепочки в ИАиЭ в 2006 г. создан Центр коммерциализации при поддержке программы «Европэйд» и Ассоциации «СибАкадемИнновация». Созданные в рамках Центра спин-оф компании успешно осваивают выпуск волоконно-оптических лазерных и сенсорных систем и реализуют их как на российском, так и мировом (более 50 %) рынках.
стр. 7
|
