Напрямки розвитку волоконної оптики (стр. 7 из 7)
(3.17)Ефективний переріз i об'єм лазерного середовища визначаються відповідно:
(3.18)Оскільки нам вже відомий пороговий показник підсилення (3.16), ми можемо визначити порогову інверсію населеностей, яка необхідна для генерації лазера:
(3.19)Порогова швидкість накачування лазера визначається критичною іверсією i загальною концентрацією неодиму в оптичному волокні:
(3.20)Накачування неодимового волоконного лазера здійснюється на довжині 0,85 мкм. Порогова потужність накачування визначається наступним чином:
(3.21)де
- частота випромінювання лазера i частота на якій здійснюється накачування; 
- ефективність накачування.ККД накачування включає в себе декілька складових:
- випромінювальна ефективність діодного лазера накачування (ККД лазера накачування), в нашому випадку 
; 
- ефективність вводу випромінювання, яка залежить безпосередньо від конструкції волоконного лазера 
; 
— ефективність поглинання, тобто частина світла, яке потрапило в оптичне волокно i дійсно поглинулася ним, для неодимового лазера 
; 
- квантова ефективність лазера, 
. Загальний ККД накачування визначається так: 
(3.22)Потужність випромінювання накачування змінюється вздовж оптичного волокна за експоненційним законом Бугера-Ламберта. Показник поглинання кварцу, легованого нeoдимoм,
складає 0,048 см-1.Poзpaxyнoк потужності накачування проводився з розрахунку, що на протилежному кінці волокна потужність накачування повинна перевищувати порогову. Потужність накачування неодимового лазера:
(3.23)Оскільки відомі потужність накачування i її порогова величина, можна визначити число перевищення порогу.
(3.24)Таким чином визначаємо інверсію населеностей i швидкість накачування лазера.
(3.25) 
(3.26)Вихідну потужність лазерного випромінювання визначаємо за формулою:
(3.27)де:
(3.28) 
ККД лазера визначається як:
де
- ККД зв'язку на виході лазера; 
– відношення площі перерізу активного середовища до площі поперечного січення пучка, 
3.3 Розрахунок спектральних характеристик неодимового волоконного лазера
Спектральні характеристики неодимового волоконного лазера визначаються високо селективними бреггівськими гратками показника заломлення, записаними голографічним методом на серцевині оптичного волокна. Бреггівські гратки створюють резонатор i забезпечують додатній зворотній зв'язок в лазері. Розрахована система бреггівських граток для даного лазера зображена на рис. 3.5.
Рис. 3.5 Схема забезпечення додатного зворотного зв'язку в лазері
Необхідно розрахувати спектральні характеристики лазера. Маючи співвідношення (2.6), (2.8), (2.9), (2.10), ми можемо виконати розрахунок спектральної залежності пропускання (відбивання) системи граток Брегга в оптичному волокні.
Вхідним дзеркалом служить одинарна бреггівська гратка. Вона є прозорою для випромінювання накачування i має максимальний коефіцієнт відбивання на довжині хвилі генерації лазера. Одно частотний режим роботи лазера досягається за рахунок системи двох вихідних граток, які розміщуються по принципу еталона Фабрі - Перо.
3.4 Конструкція волоконного лазера
Конструкція волоконного лазера повинна забезпечити високу ефективність введення випромінювання накачування в серцевину оптичного волокна (мінімальні втрати), простоту i зручність користування. В якості джерела накачування може використовуватись лазерний діод з вертикальним резонатором (VCSEL), випромінювання якого поширюється з поверхні, а не з торця, як у звичайних. В цьому лазері розбіжність випромінювання менша, у порівнянні зі звичайними лазерними діодами, i є однаковою у двох перпендикулярних напрямках, що полегшує введення випромінювання у волокно.
На рис. 3.6 представлена альтернативна конструкція волоконного лазера, в якій для фокусування світла в оптичне волокно використовується лінза, що розміщується із зовнішньої сторони оптичного вікна корпуса. Сам лазерний діод встановлений на міцному радіаторі
Рис. 3.6. Ескіз конструкції волоконного лазера з введенням випромінювання накачування в оптичне волокно з допомогою лінзи
Якщо необхідно використовувати більш потужні лазерні діоди тоді необхідно побудувати систему з 2 - 8 лазерних діодів розміщених в просторі певним чином для вводу випромінювання в оптичне волокно. Розбіжність оптичного волокна визначаємо з (3.5).
Оскільки нам відома апертура оптичного волокна можемо визначити кутове збільшення лінзи (фокусуюча система для введення випромінювання у волокно):
(3.29)В залежності від потужності накачки вибираємо лазерний діод з потрібними характеристиками:
| Лаз.діод VCT- | F85A41-OH | F85A1G-IS | F85A42-S | F85A3F-O | F85A45-IS | F85A3F-OH |
 (мВт) | 100 | 150 | 120 | 200 | 175 | 250 |
 (град.) | 10 | 6 | 6 | 12 | 8 | 12 |
Рис. 3.7. Ескіз конструкції фокусуючої системи для введення випромінювання у волокно
Відповідно лінійне збільшення лінзи:
(3.39)Вибираємо відстань між діодом i лінзою а (2 - 10 см). Розраховуємо необхідну відстань між лінзою i оптичним волокном а0, а також фокусну віддаль лінзи f:
(3.40) 
(3.41)Товщина лінзи:
(3.42)де
- радіус кривизни поверхонь лінзи (вибираємо довільний, але d повинно бути в межах 0,5-2 см, оскільки розрахунок проводимо для тонкої лінзи).3.5 Розрахунок просторових параметрів випромінювання
При використанні оптичного волокна з гаусівським профілем показника заломлення для забезпечення діаметру визначаємо радіус серцевини волокна:
Знаючи радіус серцевини розраховуємо параметр волокна V i відносну різницю показників заломлення
з (3.2) :V<2,59, отже розрахунок для забезпечення одномодової генерації вірний.
Розрахунок енергетичних параметрів випромінювання
Список літератури
1. Буфетов И.А. и др. Волоконные Yb-, Er-Yb- и Nd-лазеры на световодах с многоэлементной первой оболочкой // Квантовая электроника, 2005, т. 35, № 4, с. 328-334.
2. Dianov E.М. et al. Raman fiber lasers emitting at a wavelength above 2μm // Quant. Electr., 2004, vol. 34, p. 695-697.
3. Dianov E.M., Grekov M.V., Bufetov I.A. et al., CW high power 1.24 μm and 1.48 μm Raman lasers based on low loss phosphosilicate fibre // El. Lett. 1997, vol. 33, N 18, p. 1542-1544.
4. Власов Александр Анатольевич «Волоконные брэгговские решётки для применений в перестраиваемых волоконных лазерах» Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Новосибирск – 2009
5.Волоконные технологические лазеры и оценка эффективности их применения
6. Методичка
7. «Флексо Плюс» №2 (26), апрель 2002 г.
8. Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико–технические основы лазерных технологий». Раздел: Технологические лазеры и лазерное излучение. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. – 50 с.
9. Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники, К.,1981.
10.О. Звелто. Принципы лазеров. М.,1999.
11. Десурвир «Световая связь: пятое поколение», В мире науки, №3, 1992 .
12. «Волоконно-оптическая техника», Технико-коммерческий сборник. М., АО ВОТ, N1, 1993.
13. А.В.Снайдер, Д. Лав, «Теория оптических волноводов»