Technologia i Zastosowania Laserów 2012

Światłowody aktywne, wzmacniacze i lasery światłowodowe 

Klasyczne, wysokiej jakości światłowody aktywne domieszkowane erbem EDFA są wysoce standaryzowane pod względem parametrów transmisyjnych i niezawodności. Są dostępne w kilku źródłach, wielu odmianach rozciągających się od tzw. SMF jednomodowych telekomunikacyjnych po specjalizowane o prostszej lub bardziej skomplikowanej budowie, a w szczególności dla zastosowań czujnikowych. Światłowody telekomunikacyjne są zazwyczaj pokryte hermetycznie dla zwiększenia odporności środowiskowej i czasu życia, zwiększenia odporności na indukowane wodorem straty optyczne i degradację stratnościową. Światłowody takie używane w celu budowy wzmacniaczy optycznych są wymiarowo i modowo wysoce kompatybilne ze standardowymi jednodomowymi światłowodami. Wykazują dzięki temu niewielkie straty sprzężenia ze światłowodami transmisyjnymi.

Badania w tym zakresie są prowadzone nad światłowodami aktywnymi specjalnymi, z innych materiałów niż szkło krzemionkowe lub wysoko krzemionkowe. Adekwatne materiały obejmują: ultra niskostratne szkła wieloskładnikowe, szkła halogenkowe i chalkogenkowe oraz aktywne materiały polimerowe. Z tych materiałów szklanych i polimerowych tworzone są eksperymentalne włókna aktywne o strukturze dwupłaszczowej a także niesymetrycznej do pompowania oraz mikrostrukturalne z kryształów fotonicznych. W kraju jest aktywnych kilka centrów technologicznych produkujących wysokiej jakości szkła światłowodowe aktywne i włókna optyczne aktywne. Są one zlokalizowane w Białymstoku na Politechnice, w Lublinie na UMCS, w Krakowie na AGH oraz w Warszawie w ITME i na PW.

Aktywne szkła i polimery światłowodowe są oczywiście domieszkowane ziemiami rzadkimi oraz metalami przejściowymi. Wytwarzane są włókna analogiczne do EDFA, dla celów budowy źródeł ASE oraz wzmacniaczy Ramana. Wytwarzane szkła światłowodowe wykazują luminescencję w zakresie spektralnym 1,7…2,1 μm. Szerokie linie luminescencyjne są otrzymywane poprzez jednoczesne domieszkowanie szkieł światłowodowych kilkoma lantanidami. Badane są wymagania i warunki techniczne produkcji oraz właściwości luminescencyjne i pasma absorpcyjne wytworzonych włókien ze światłowodowych szkieł matrycowych domieszkowanych parami jonów i trypletami jonowymi: Tm3+/Ho3+, Yb3+/Ho3+, Yb3+/Tm3+, Yb3+/Er3+/Tm3+. Badane są rodzaje matryc szklanych, ich parametry mechaniczne – decydujące o energii fononów, na rdzenie światłowodowe oraz na płaszcze i pokrycia zewnętrzne.

Takie odpowiednie zestawy materiałów mają znaczenie dla ogólnych parametrów światłowodu aktywnego i wytworzonego z niego aktywnego elementu fotonicznego, pompowanego znaczną mocą optyczną, np. przy pomocy diod LED dużej mocy. Przedstawiane są konstrukcje aktywnych światłowodów i wzmacniaczy z efektywnymi metodami sprzęgania mocy optycznej pochodzącej z pomp. Niektóre z tych rozwiązań zawierają niesymetryczne światłowody z podwójnym rdzeniem oraz jednodomowe światłowody wielordzeniowe pracujące w warunkach dokładnie sfazowanego supermodu.

Lasery i wzmacniacze światłowodowe, podobnie jak klasyczne lasery półprzewodnikowe i szklane, mogą być także budowane z materiałów strukturalnych – kryształów fotonicznych. Dla światłowodów fotonicznych (aktywnych i biernych) materiałem matrycy jest szkło lub ostatnio także polimer. Matrycą dla laserów półprzewodnikowych jest AlGaInAs/InP. Kryształy fotoniczne dla laserów posiadają szereg zalet dla zastosowań telekomunikacyjnych, takie jak: szeroki zakres pracy w modzie podstawowym (teoretycznie nieskończony, nieograniczony), skalowalność struktury z długością fali, możliwa redukcja prądu progowego, możliwy wzrost emitowanej mocy optycznej w modzie podstawowym, zawężenie szerokości spektralnej promieniowanej fali, możliwy wzrost szybkości modulacji cyfrowej.

Szybki rozwój technologii laserów światłowodowych został spowodowany między innymi postępami w konstrukcji włókien optycznych ultra niskostratnych aktywnych o podwójnym płaszczu. Takie włókno ułatwia optyczne pompowanie lasera. Dopasowanie geometryczne i spektralne pozwala na stosunkowo łatwe pompowanie laserem półprzewodnikowym lub diodą DEL. Wprowadzenie asymetrii włókna, w pewnych przypadkach, dalej podnosi sprawność pompowania lasera światłowodowego.

Lasery światłowodowe posiadają odmienne charakterystyki od rodziny laserów objętościowych i laserów półprzewodnikowych. Długość światłowodu aktywnego szklanego, polimerowego lub z kryształu fotonicznego zmienia się od kilkudziesięciu cm do kilkudziesięciu m w różnych typach laserów światłowodowych. Mimo tego, zagregowana objętość materiału aktywnego jest mała nawet dla laserów bardzo długich. Wynikają z tego konsekwencje, że promieniowana moc nie jest duża w podstawowym rozwiązaniu takiego lasera, oraz moc progowa dla optycznych zjawisk nieliniowych jest także niewielka. Niewielki jest także próg optycznej destrukcji włókna i lasera. Obecnie lasery światłowodowe promieniują w przybliżeniu 10 kW mocy ciągłej przy jakości wiązki określonej wielkością współczynnika M2≈2. Dla laserów impulsowych, promieniowana energia w impulsie o czasie trwania rzędu ns wynosi około 10 mJ, a więc niezbyt dużo. Prace nad światłowodami aktywnymi dla laserów i nad fundamentalnymi ograniczeniami jakości wiązki są prowadzone na WAT i na PW oraz na PWr.

Lasery IR kwantowo-kaskadowe 

QCL – kwantowe lasery kaskadowe są unipolarnymi laserami półprzewodnikowymi o transferze wewnątrzpasmowym swobodnych nośników. Klasyczne lasery półprzewodnikowe stosują przejścia i rekombinację międzypasmową. Długość promieniowanej fali w praktyce nie zależy od materiału, ale od geometrii studni kwantowych budujących rejon aktywny. Lasery QCL mogą być szeroko przestrajane od zakresu NIR, poprzez MIR do FIR i ogólnie działają w obszarze IR. Najczęściej wykonuje się je z GaAs oraz InP. Kaskadowy typ generacji, tzn. akumulacja mocy optycznej z każdej studni kwantowej prowadzi do uzyskiwania większych mocy wiązki. Obecnie lasery QCL są używane w spektroskopii THz zanieczyszczeń gazowych, spektroskopii molekularnej, komunikacji bliskiego zasięgu w otwartej przestrzeni i prześwietlania dielektryków. Eksperymenty technologiczne i laboratoryjna produkcja terahercowych laserów QCL są prowadzone w ITE w Warszawie (prof. M. Bugajski).

Generacja terahercowej fali EM przy pomocy laserów może być wykonywana dwoma zasadniczymi metodami, odpowiednio w dziedzinie czasu i częstotliwości. Metoda w dziedzinie czasu wykorzystuje zjawisko w dziedzinie optyki analogiczne do prostowania przebiegu napięcia sinusoidalnego prądu elektrycznego (optical rectification). Metoda częstotliwościowa stosuje zjawisko mieszania podobnych liczbowo częstotliwości optycznych i ekstrakcji, np. częstotliwości różnicowych. Podstawowym problemem technologicznym dla takich rozwiązań jest konstrukcja lasera generującego dwie koherentne wiązki jednodomowe o przestrajanych częstotliwościach. Największy potencjał aplikacyjny w tym zakresie posiadają właśnie kwantowe lasery kaskadowe o zewnętrznej wnęce rezonansowej, które generują jednocześnie dwie przestrajalne wiązki w zakresie spektralnym MIR. Dwie wiązki mieszane muszą posiadać wspólną drogę koherencji. Zwiększanie długości generowanej fali metodą mieszania zwiększa długość wzajemnej drogi koherencji. Kaskadowe lasery kwantowe są budowane z podwójnym wzmacniaczem i wbudowanym w strukturę lasera optycznym rezonansowym elementem nieliniowym. Takie lasery generują i mieszają wewnętrznie dwa podłużne mody częstotliwościowe w zakresie spektralnym MIR, tak aby na wyjściu uzyskać falę EM w postaci wiązki THz. Otrzymywane obecnie parametry wiązek THz są: dziesiątki μW mocy w temperaturze 80 K i około 1 μW w temperaturze 300 K.

Optyczne grzebienie częstotliwości i optyczne zegary atomowe 

Technologia optycznych grzebieni częstotliwości jest rozwijana w kraju na UW-IFD oraz na PWr przez grupy laserowe używającewysoko stabilizowanych laserów półprzewodnikowych oraz światłowodów. Stosowane są efekty nieliniowe w celu konwertowania grzebieni częstotliwości optycznych z pasma telekomunikacyjnego do innych obszarów spektralnych, np. MIR. Grzebienie są generowane z zastosowaniem modulacji amplitudowej wiązki laserowej CW, jak i przez stabilizację ciągu impulsów generowanych przez laser z przełączaniem modów, a także przez generację super-kontinuum z pomocą głębokiej samo-modulacji fazowej fali propagowanej w nieliniowym światłowodzie fotonicznym. Grzebienie rozciągające się na więcej niż oktawę są używane do ultraprecyzyjnych pomiarów fazy i częstotliwości odniesienia. Optyczne grzebienie częstotliwości o kontrolowanej częstotliwości bazowej (podstawowej) f_o oraz separacji (odległość pomiędzy zębami) f_r są używane do mapowania częstotliwości optycznych aż do częstotliwości zakresu RF. Taka technika jest używana do bezpośrednich pomiarów częstotliwości optycznych. Precyzyjne techniki zegara optycznego z zastosowaniem grzebieni częstotliwości są stosowane w systemach pomiarowych. Częstotliwość optyczna nieznana jest składana z pojedynczym zębem grzebienia na fotodiodzie, w wyniku czego otrzymywany jest sygnał dudnienia w paśmie RF. Sygnał ten porównywany jest z wzorcem RF lub z sygnałem odniesienia RF.

Precyzyjne pomiary czasu są fundamentem w takich technologiach jak: szerokopasmowe sieci komunikacyjne, nawigacja GPS i wiele innych. Optyczne zegary atomowe używają częstotliwości przejść elektronowych w atomie w optycznym regionie spectrum fal EM jako częstotliwości standardowych do budowy elementów odniesienia czasu. Obecne zegary stosują atomy w temperaturze bardzo bliskiej zera bezwzględnego, spowolnione przy pomocy promieniowania laserowego i próbkowane w tzw. fontannie atomowej (chmurze) pułapkowanej we wnęce. Najbardziej dokładny klasyczny zegar atomowy, bazujący na pojedynczych pułapkowanych jonach oraz ultrazimnych atomach neutralnych w czasie swobodnego spadku, posiada niedokładność określenia częstotliwości 2,3×10-16, co można transformować do ±1 s na około 140 MY.

Optyczne grzebienie częstotliwości, które ustanawiają koherentne łącze pomiędzy częstotliwościami optycznymi i radiowymi RF, coraz częściej są uważane za nowo powstający standard ultraprecyzyjnej definicji czasu o zwiększonej precyzji wobec narzędzi dostępnych dzisiaj. Atomy można pułapkować w potencjalnej sieci (kratownicy) optycznej i używać jako odniesienie kwantowe. Kratownica optyczna z odseparowanymi pułapkami na pojedyncze atomy pozwala na budowę zegara o szerokości spektralnej częstotliwości odniesienia więcej niż jeden rząd wielkości węższej niż w klasycznych zegarach atomowych o najwyższej stabilności.

Zastosowanie optycznego zegara atomowego z optycznie pułapkowanymi atomami i optycznych metod metrologicznych zimnych atomów (spektroskopia i pomiary częstotliwości) pozwala na ograniczenie względnej niepewności pomiaru częstotliwości do poziomu 10-18, a więc dwa rzędy wielkości bardziej precyzyjnie niż w klasycznych zegarach atomowych. Innymi słowy, częstotliwość optyczna 300 THz jest mierzona z dokładnością mHz.

Zegary optyczne z zimnymi atomami składają się z:

• pułapki atomowej, w której zimna chmura atomowa jest kontrolowana w szczególnym stanie kwantowym, ochłodzona klasycznie i optycznie oraz uwięziona permanentnie,
• ultrastabilnego lasera o szerokości linii spektralnej poniżej 1 Hz w celu próbkowania częstotliwości atomów,
• optycznego grzebienia częstotliwości w celu precyzyjnych pomiarów odległości pomiędzy poszczególnymi komponentami spektrum.

Prace nad takim zegarem są prowadzone przez konsorcjum złożone z UW-Warszawa, UMK-Toruń i UJ-Kraków.