Дифракционные решетки в устройствах волноводной оптики и резонаторах лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

^ ^ правах рукописи

УДК <521.372.8.029.7

Тихомиров Алексей Евгеньевич ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ В УСТРОЙСТВАХ ВОЛНОВОДНШ ОПТИКИ К РЕЗОНАТОРАХ ЛАЗЕРОВ

(01.04.21 Лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фгзико-матеиагачвскгас наук.

С

Москва - 1994

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ИНСТИТУТ ОВДЕЙ ФИЗИКИ

НАУК

На правах рукописи УДК €21.372.8.029.7

Тихомиров Алексее Евгеньевич ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ В УСТРОЙСТВАХ ВОЛЮВОДИОЙ ШГШШ И РЕЗОНАТОРАХ ЛАЗЕРОВ

(01.04.21 Лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стегани кандидата фгашсо-математическга наук

Москва - 1994

I.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Данная работа посещена вопросам создания и использования дифракционных решеток предназначенных для различных устройств объемной, интегральной и волоконной оптики.

Актуальность темы обусловлена широким спектром практических применений дифракционных решеток в указанных областях и наличием целого ряда нерешенных проблем.

В объемной оптике дифракционные решетки чаще всего используются для спектрального анализа оптического излучения, а также- в качестве селективных отражателей для лазеров о перестраиваемой по спектру линией излучения. Применение решеток позволяет получать спектрально- узкую линию генерации и ее спектральную перестройку в пределах, определяемых шириной линии усиления активной среда. Однако многие вопросы, связанные с использованием дифракционных решеток, такие как лучевая стойкость и возможности реализации высокой дифракционной эффективности при больших углах падения на решетку (что соответствует высокому спектральному разрешению) в настоящее время недостаточно разработаны, вследствие чего на практике для понижения плотности мощности падающего излучения приходится применять расширители световых пучков, а для обеспечения высокого спектрального разрешения- сложные дисперсионные системы, в которых часто используется несколько оптических элементов.

В интегральной оптике на: основе дифракционных структур реализуются: ввод- вывод излучения в волновод, резонансные

-о-

сгоктральной селективности брэгговских отражателей, что достигается увеличением ддаш брэгговской решетки уделяется большой интерес исследователей. Цель писгертя^птрпр работы

Целью данной работа являлось: исследование возможности создания узкополосных брэгговских отражателей на волокне, демультиплексоров и телескопических систем на основе волокна со сполированной боковой поверхностью, разработка гологра£ичвских методик создания фокусирующих устройств согласования волноводов с объемными волнами, разработка и реализация высокоэффективных и стойких к излучению дифракционных решеток для применений в резонаторах твердотельных лазеров. ЙРЕИзрз. научная ж практическая ценное^

1. На основе волокна с дифракционной решеткой на сердцевина и пристыкованного к нему пленарного волновода предложена новая схема расширителя волноводного пучка света для целей волноводной голографии и устройств обработки информации. Экспериментально показана возможность достижения коэффициентов расширения К пучка света К=180 что более чем на порядок превышает значения достигнутые до сих пор.

2. Разработана методика формирования узкополосных (¿Х<1А°) брэгговских отражателей на сердцевине волокна

3. С использованием узкополосного брэгговского отражателя создан волоконный лазер с шириной линии 100Мгц

4. Экспериментально показано, что одномодовнй волоконный X-разветвитель может быть использован для когерентного сложения излучения двух волоконных лазеров.

б. Продемонстрирован метод стыковки волоконных элементов с

контроля его характеристик в процесс© изготовления

в) Установлена возможность достижения внсокнх значений дифракционной эффективности (¿90%) в схеме автокодлимации при больших углах падения на решетку (68°и более).

г) созданы дифракционные элементы высокой лучевой стойкости (не менее 18ШВТ/СМ2), продемонстрирована их применимость в качестве зеркал для резонаторов твердотельных лазеров с модулированной добротностью.

ШоШт р$<х>та

Материалы изложенные в диссертации докладывалась на:

1.Конференции 'Optics-89', May 18-20, 1969, Varna, Bulgaria

2.Конференции 'ОптоэлектронЕне информационные системы я средства* Москва, 1990г.

3.Международной конференции 'Octinia 91 \ январь 29-31,1991, Рш, Италия

4. I Всесоюзной конференции по интегральной оптике 15-19 октября 1991г., г.Ужгород

5. Международном симпозиуме OE/Flbers'92, 8-11 сентября, 1892, г. Бостон, ША

6. Международной конференции по голографш, корреляционной оптике и регистрирующим материалам,- 10-14 мая 1933г„,Черновцы, Украина

7. Первом Российско- Германском семинаре 'Информационные технологии и прикладная математика'- Москва, 29-30 сентября, 1993

а также на семинарах лаборатории интегральной оптики, отдела колебаний и отдела волоконной оптики ИОФАН.

использованием дйфракционных решеток. Дифракционные решетки изготавливаются на предварительно ошлифованной боковсй поверхности волокна и позволяют реализовнвать как вывод излучения из волокна, так и брэгговское отраяениэ света в обратном направлении. Использование решетки работающей в режиме вывода излучения, состыкованной с пленарным волноводом позволило создать волконный расширитель волноводного пучка света с коэффициентом расширения К=180, что превосходит результаты достигнутые до сих пор. Потери же возникаедие при таком методе стыковки, не превышали 1дБ. Устройство такого типа может быть успешно применено, например, в спектроанализаторах на основе ЫЯЬ03 что позволит ¿избавиться от одной из волноводах линз,обычно применяемых на практике, ж существенно сократить размер! всего устройства в целом.

Вывод излучения из волокна происходит с одновременным разделением по спектру распространяющегося по волокну излучения. Это позволяет использовать такие элементы для устройств спектрального разделения. На основе етого принципа- работе был реализован анализатор спектра оптического излучения работающий в диапазоне 0.85мкм. Линейная дисперсия этого устройства составляла 256°/ш при спектральном разрешении <5\=5А°.

Использование усовершенствованной методики изготовления волоконных элементов со сполировенной боковой поверхностью позволило реализовать узкополосные брэгговские отражатели да лазеров на основе активных волокон. Характерная длина решетки Рлэгговских отраяетелей составляла 1.5см, что соответствовало спектральной ширине отражения <1А° в диапазоне длин волн Х.5мкм. Аналогичные элементы были также реализованы для спектрального

однолучевой голографической схемы записи для создания таких элементов. Для этого плоское зеркало (зеркало Ллойда)„ традиционно используемое в схеме, заменяется зеркалом сферической формы. Показано, что такая схема записи позволяет реализовывать фокусировку выводимого из волновода, излучения с размером пятна фокусировки близким к дифракционному, если соблюдено соотношение 1/£<10.

Для согласования моды канального волновода с объемной плоской волной было предложено использовать линзу конической формы, располагаемую на поверхности волновода. В качестве элемента связи может использоваться сама линза, если ее показатель преломления превышает эффективный показатель преломления волновода- в этом случае элемент связи по- существу представляет из себя призму, традиционно использующуюся для возбуждения пленарных волноводов с той только разницей» что выходная грань этой призмы является конической, а не плоской. Если же показатель преломления материала такой призмы меньше эффективного показателя преломления волновода, то в качестве элемента связи может использоваться дифракционная решетка. Для этого варианта согласования было экспериментально продемонстрировано преобразование моды канального волноводе в параллельный пучок в воздухе (с расходимостью <1°).

Объемную плоскую волну падапцую на поверхность пленарного волновода можно перевести в сходящуюся волноводную моду при помощи дифракционной решетки со (штрихами специальной Форш. (с "глиптической формой штрихов). Показано, что. для записи такой решетки требуется использовать предметную волну с коничвсгам волновым франтом. Для создания такой волен в одаэлучевой

зеркала использовался непрозрачный слой А1, имел максимальную дифракционную эффективность т)=85%.

Использование аналогичной структуры, в которой решэтка и зеркало изготавливались на разных подложках» а роль диэлектрического слоя выполнял воздушный зазор мезду ниш, позволило реализовать структуру с перестраиваемой дафракдаонной эффективностью. В эксперименте перестройка достигалась изменением величины воздушного зазора между решеткой и зеркалом и позволяла варьировать дифракционную эффективность элемента в пределах 0<;)<75%.

. Замена отражающего металлического слоя диэлектрическим зеркалом позволила создать дифракционные решетки обладающие одновременно и вчсокой лучевой стойкостью и высокой дифракционной эффективностью, которые затем были испытаны в резонаторе твердотельного ШЭ+-ИАГ лазера с модулированной добротностью. Реальная лучевая стойкость для элементов которые рвализовывались экспериментально, была не хуже 180МВТ/см2 (для импульсов длительностью 10нс) при дифракционной эффективности-50-90«.

На основе диэлектрического зеркала была также изготовлена

дифракционная решетка эффективно работающая в автоколлимационном

режиме при больших углах падения света (в=68Я). Максимальная

дифракционная эффективность такой решетки составила

Использование такой решетки в резонаторе твердотельного лазера

на неодимовом стекле позволяло подучить перестройку линии

- -нерации по спектру в пределах 100см"1 при ширине линии 5ХД£Ц04Ай.

8 закдтещв приводятся основные результаты работа.

излучения с длиной волнн Х=1.15мкм в плоскости дОДузионного стеклянного волновода.

5. На основе метода Релея- Фурье проанализирован процесс дифракции света в слоистой диэлектрической структуре с дафрагадаонной решеткой на поверхности. Предложен новый чш высокоэффективных дифракционных решеток работающих в VI'. порядке дифракции для ТЕ- поляризованных волн и состоящих из диэлектрической тонированной поверхности и зеркала, разделенных промежутком.

а) Установлена возможность достижения высоких значений дифракционной эффективности (>90%) в схеме автоколлимации при больших углах падения на,реветку (68°и более).

б) созданы дифракционные элементы высокой лучевой стойкости (не менее 180ЫВт/<а^), продемонстрирована их применимость в качестве зеркал для резонаторов твердотельшх лазеров с модулированной добротностью.

Осщщнре резу-^таун жструщш 9РУ<?ликованы в сдщщих р

1. М.Милер., Д.Х.Нурлигареев.5 В-А-Сычугов.» А;Е.Тихомиров "Волоконный расисритель волноводного пучка света.*- ЖТФ, 1990, т.60, вып.4, с.195-197

2. А.8.8таШп, У.А.ЗусйивоУ, А.У.Ийют1гот *Сг&11пв-Ьаве<1 е1етеп1а шй <1ет1сеа оп аэуптейЛс а1щ1е-®ойе 11Ьега'- Ргос.о! Ш.*ог1ш1юр 0сг1та'91, Дапиагу 29-31, Ноте,1га1у

3. Сычугов В.Ас, Тихомиров А.Е. "Простой метод фокусировки лазерного излучения на поверхность канального волновода".-Р"сьма в ЖРФ. 1991, т.17, вып.20, стр.1-5

4. А.С.Свахин, В.А.Сычугов, А.Е.Тшкшров "Фокусирувдаяреветка на волокне и способ ее изготовления".- Письма в ЖТФ, 1989, т.15,