eng
Выпуск #8/2017
А.Девайн, Р.Ходдер
Волоконные суперконтинуумные лазеры: многообещающие перспективы
Волоконные суперконтинуумные лазеры: многообещающие перспективы
Просмотры: 3716
Всего за 10 лет уровень мощности суперконтинуумных лазеров со спектральным диапазоном от 380 до 4400 нм вырос на порядок. Более детальное понимание генерации излучения с широким спектром в оптических волокнах позволит продолжить работу по усовершенствованию конструкции суперконтинуумных источников и расширению области их использования.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.06.13
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.06.13
Теги: mopa architecture mopa-конфигурация photonic crystal fibers supercontinuum fiber lasers волоконные суперконтинуумные лазеры фотонно-кристаллическое волокно
Спектральное уширение и генерация излучения на новых частотах являются особенностями нелинейной оптики, которые применяются и изучаются в течение многих десятилетий. В 1970-х годах генерация "белого света" за счет экстремального нелинейного спектрального уширения оптических импульсов в конечном итоге привела к термину "суперконтинуум" [1]. Но поскольку нелинейность стекла относительно низка, то требуются очень высокие пиковые мощности для создания значительного спектрального уширения в объемном материале; длина взаимодействия обратно пропорциональна размеру пятна: чем лучше фокус, тем короче эффективная длина взаимодействия (обычно несколько сантиметров). Очевидным решением является пространственное ограничение излучения и использование направляющих свойств оптических волокон для расширения длины взаимодействия.
Однако использование оптического волокна лишь частично решает проблему. При использовании нелинейных свойств стандартных волокон (например SMF‑28) можно получить широкий спектр только в длинноволновой области. А при накачке около 1 064 нм свет в видимой части спектра не генерируется.
Новый этап по усовершенствованию суперконтинуумных источников начался в середине 1990-х годов благодаря разработке фотонно-кристаллического оптоволокна Филиппом Расселом и Джонатаном Найтом. Данные оптические волноводы обладают свойствами, которые зависят не только от материала, как в обычных волокнах, но и от структуры массива крошечных отверстий, окружающих сердцевину оптоволокна.
Необычная структура этих оптических волокон имеет ряд преимуществ, которые включают в себя относительно низкие производственные затраты (вся конструкция основана на чистом кварцевом стекле без каких-либо легирующих примесей) и уникальные оптические свойства. Наиболее заметной особенностью является возможность адаптировать дисперсионную способность таким образом, чтобы длина волны нулевой дисперсии могла быть перемещена в область 1 мкм или даже менее 1 мкм. Значение этих уникальных особенностей было впервые понято в 2000 году в лаборатории Bell Labs. Специалистам удалось продемонстрировать генерацию суперконтинуума в фотонно-кристаллическом оптоволокне с использованием титан-сапфирового лазера в качестве накачки [2].
В настоящее время хорошо известно, что если длина волны накачки лежит вблизи длины волны нулевой дисперсии, то нелинейное спектральное уширение может проявляться почти симметрично как для коротковолнового, так и для длинноволнового диапазона в результате согласования групповой скорости для стоксовых и антистоксовых компонент. Следовательно, существует возможность получения чрезвычайно широкого спектра, охватывающего весь диапазон длин волн от 400 до 2 500 нм.
В 2005 году появились готовые суперконтинуумные источники, которые привлекали внимание в основном отдельных научных работников или исследовательских групп, интересующихся тем, как данная технология может быть использована в рамках исследований или в разработке продукта. На сегодняшний день суперконтинуумные источники света используются во многих сферах: от науки до промышленных установок и медицинских инструментов.
За последнее десятилетие развитие суперконтинуумных лазеров было обусловлено как технологическими достижениями, так и изменениями требований на рынке. Производители суперконтинуумных источников параллельно занимаются двумя вопросами: исследованием фундаментальных ограничений для данной технологии, а также адаптацией производительности и параметров лазеров для конкретных приложений. Хорошее понимание основ технологии позволяет создавать более экономичные и надежные лазеры. С момента своего первого появления суперконтинуумные лазеры развивались в следующих основных направлениях: повышение мощности и расширение спектрального диапазона. Кроме того, происходило наращивание объемов производства. При этом сохранение низкой стоимости и высокой степени надежности являлись первостепенными задачами.
РЕГУЛИРОВКА МОЩНОСТИ
Почти все суперконтинуумные волоконные лазеры имеют одну и ту же базовую конфигурацию: лазер накачки с высокой пиковой мощностью для эффективного инициирования нелинейных эффектов в оптических волокнах и фотонно-кристаллическое оптоволокно. Источники накачки обычно основаны на архитектуре усилителя мощности с задающим генератором (MOPA – master oscillator power amplifier), где сверхкороткие импульсы с длиной волны порядка 1 064 нм от основного генератора усиливаются в волоконном усилителе высокой мощности, легированном иттербием. При этом в качестве накачки используется либо один или несколько лазерных диодов с высокой интенсивностью излучения, либо диодные модули.
Импульсы с высокой интенсивностью пиков, полученные с использованием этой архитектуры, вводятся в нелинейное фотонно-кристаллическое оптоволокно и подвергаются спектральному уширению для создания суперконтинуума. В первом приближении степень спектрального уширения определяется пиковой мощностью импульса, которая при заданной средней мощности лазера накачки обратно пропорциональна длительности импульса и его частоте повторения. Гибкость конструкции системы накачки позволяет независимо изменять параметры основного генератора и волоконного усилителя. Мощность излучения, которое заводится в оптоволокно, может быть увеличена относительно эффективным и легким способом. Для этого используется задающий генератор с более высокой частотой повторения импульсов и волоконный усилитель, способный поддерживать более высокую среднюю мощность.
Стоит отметить, что для достижения высокой мощности суперконтинуумного излучения необходимо, чтобы источник накачки работал в непрерывном режиме. На первый взгляд, для формирования значительного спектрального уширения требуемая средняя мощность непрерывного излучения от волоконного лазера должна быть порядка нескольких киловатт. Однако на самом деле заметное спектральное уширение наблюдается при уровнях мощности всего в десятки или сотни ватт. Для суперконтинуумных источников с системой накачки, работающей в непрерывном режиме, нелинейные эффекты в фотонно-кристаллическом оптоволокне преобразуют начальные "плоские" оптические сигналы от усилителя мощности в поток хаотически распределенных коротких импульсов с пиковыми мощностями на порядок выше в сравнении с первоначальным сигналом. Таким образом, формируется излучение с широким спектром [3].
Текущая деятельность в этой области в основном ограничивается научными исследованиями, и все коммерчески доступные суперконтинуумные лазеры используют задающий генератор оптических импульсов с четко определенными параметрами. Данный узел чрезвычайно важен для приложений. Как уже упоминалось ранее, природа генерации суперконтинуума основана на нелинейном спектральном уширении отдельных импульсов. Следовательно, изменяя как частоту повторения импульсов, так и среднюю мощность задающего генератора, получаем возможность варьировать время между появлением отдельных импульсов. Это очень важно для приложений, где большую роль играет временное разрешение. Для отдельного суперконтинуумного лазера вариация частоты повторения импульсов может быть реализована с использованием акустооптического модулятора, который играет роль затвора для входящего потока оптических импульсов (рис.1). Для волоконного суперконтинуумного лазера, оснащенного встроенным модулятором импульсов, спектральная плотность уменьшается с частотой повторения, но энергия импульса остается постоянной, что позволяет получить форму оптического спектра, которая не зависит от частоты повторения импульсов. Таким образом, суперконтинуумные источники с модулятором импульсов обеспечивают идентичность формы спектра при различной плотности импульсов.
РАСШИРЕНИЕ СПЕКТРА СУПЕРКОНТИНУУМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ДО УФ-ДИАПАЗОНА
Первые суперконтинуумные волоконные лазеры обеспечивали высокую интенсивность излучения в спектральном диапазоне от 500 до 2 400 нм. Поскольку многие биологические молекулы поглощают электромагнитный спектр УФ-диапазона, для научных исследований в области биологии и медицины, таких как построение флуоресцентных изображений или единичный подсчет фотонов с корреляцией по времени, можно с успехом использовать суперконтинуумные источники, в спектр которых входит УФ-область.
Потребность расширения спектра до 400 нм и менее потребовала более глубокого понимания физики генерации суперконтинуума, чему способствовало исследование, опубликованное в 2008 году [4]. В упрощенных терминах генерация суперконтинуумного излучения является сложным процессом четырехволнового взаимодействия. Чтобы сделать этот процесс эффективным, групповые скорости стоксовой и антистоксовой компонент должны быть равны или очень близки друг к другу. Следовательно, длина волны лазера накачки должна быть в окрестности длины волны нулевой дисперсии. Фотонно-кристаллическое волокно может быть адаптировано для расширения спектра в УФ-область путем модификации его конструкции. Речь идет о соотношении размеров отверстий к расстоянию между отверстиями, что позволяет согласовать групповой показатель преломления длинноволновых и коротковолновых компонент спектра.
Износ кварцевого стекла на длинах волн более 2 500 нм становится слишком высоким для эффективной генерации стоксовых компонент, и в обычном фотонно-кристаллическом оптоволокне групповая скорость этой полосы соответствует групповой скорости антистоксовой составляющей при 450 нм (рис.2). Принимая 2 500 нм в качестве фиксированной длины волны, которая не может быть изменена (из-за износа материала), единственным способом расширить спектр в УФ-область может быть создание дисперсии в волокне таким образом, чтобы групповая скорость при 2 500 нм соответствовала максимально короткой длине волны в УФ-диапазоне. Путем изменения конструкции волокна с помощью варьирования размера и положения отверстий можно создать требуемый профиль дисперсии для расширения спектра до 375 нм (рис. 3).
Суперконтинуумные источники с расширенным спектром до УФ-диапазона (SuperK EXU‑6) при непрерывной работе более 2500 часов демонстрируют высокую стабильность и надежность (рис.3)
НИЗКАЯ СТОИМОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ОТКРЫВАЮТ НОВЫЕ РЫНКИ
Снижение стоимости суперконтинуумных лазеров происходит не только вследствие увеличения объема производства, но и за счет технологических достижений, таких как усовершенствование системы диодной накачки.
Соотношение затраты/мощность для волоконно-оптического лазера с высокой интенсивностью излучения продолжает снижаться с уровня 200 долл./Вт, что соответствует рубежу 2003/04 годов, до текущего уровня ниже 10 долл./Вт. Повышение надежности суперконтинуумных лазеров является результатом накопленного опыта и успехов в проектировании их конструкции.
Возможность взаимодействия с крупными партнерами из области промышленности позволила нам накопить десятилетний опыт работы с данной технологией. Высокая степень эффективности технологии подтверждается непрерывной стабильной работой лазеров порядка 10 000 часов в условиях повышенных нагрузок.
Высокая надежность в сочетании с низкой стоимостью и продвинутой оптико-волоконной технологией, несомненно, приведет к внедрению суперконтинуумных источников в различные области науки и промышленности, включая нанотехнологии, биомедицину и бытовую электронику.
NKT Photonics (Дания) – ведущий производитель волоконных лазеров высокой производительности и фотонно-кристаллических волокон. Основная продукция включает в себя: импульсные лазеры, системы детектирования, различные волокна для специальных применений и источники суперконтинуума. Все продукты NKT Photonics производятся в соответствии с сертификацией ISO 9001 : 2008. Компания ОЭС "Спецпоставка" представляет весь спектр продукции NKT Photonics на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия сотрудничества, полную техническую поддержку, а также поставку образцов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Alfano R. R. and Shapiro S. L. – Phys. Rev. Lett., 1970, v.24, № 11, p.584–587.
2. Ranka J. K., Windeler R. S., Stentz A. J. – Opt. Lett., 2000, v.25, p.25–27.
3. Cumberland B. A. et al. – Opt. Exp., 2008, v.16, № 8, p.5954–5962.
4. Stone J. M. Knight J. C. – Opt. Exp., 2008, v.16, № 4, p.2670–2675.
На выставке LASER WORD of Photonics – 2017 компания NKT Photonics анонсировала покупку компании Fianium и представила свою новую продукцию, а также линейку традиционных продуктов, пользующихся высоким спросом
У компании NKT Photonics есть несколько главных производственных направлений: производство волоконной оптики, линейных оптических датчиков, широкополосных лазеров, сверхбыстрых волоконных лазеров, волоконных усилителей, распределённых датчиков температуры, акустических колебаний и механических напряжений. Стратегической задачей в работе компании является фокусировка на практических приложениях. Самой передовой областью на данный момент являются суперконтинуумные лазеры и волоконно-оптические датчики.
В основном волоконно-оптические датчики используются для мониторинга различных процессов в промышленности. В компании разрабатывают много проектов, связанных с газовой и нефтяной промышленностью. Датчики используются в установках извлечения нефти или газа и их дальнейшей переработки.
Распределенный датчик температуры (англ. DTS – Distributed Temperature Sensing) является инновационной разработкой NKT Photonics. Датчик имеет широкий диапазон дальности обнаружения неполадок на объекте – до 70 км – и используется для обнаружения утечек в трубопроводе. Связь может быть обеспечена с помощью кабеля или беспроводным способом. Датчик можно использовать во многих средах: нефть, природный газ, сжиженный газ, вода, бетон. Датчик может быть адаптирован под заданную физическую среду, он рассчитан на диапазон температур от –180 до 400 °C. Датчик может быть использован для добычи нефти и газа, в реакторах, в химической промышленности, в системах хранения нефти и газа. Среднее время безотказной работы составляет 32 года. При этом датчик не требует обслуживания. В мире не существует аналогов для данного устройства. Датчик включает в себя пассивный охладитель, не содержит вентиляторов и подвижных механических компонентов. Оптоволокно для него является собственной разработкой NKT Photonics. Для каждого приложения используется соответствующее специальное оптоволокно.
У компании есть множество проектов, связанных с обнаружением пожаров в туннелях, метро, аэропортах, небоскрёбах. NKT Photonics располагает сертификационными документами, которые разрешают ей выполнять эту деятельность.
Другое направление производства – многоканальный волоконный лазер с низким уровнем шума. Устройство имеет 16 каналов. Лазер отличается возможностью генерировать излучение с очень низким отклонением от заданных величин интенсивности и длины волны. Ширина линии генерации составляет 100 Гц. С помощью использования лазера и оптоволокна можно определить температуру в заданной области. Лазер применяется в таких сферах, как: когерентная оптическая связь, лазерное охлаждение атомов, лазерный пинцет. Существует возможность измерять скорость ветра для оценки перспектив строительства электростанции. Скорость движения частиц в воздухе определяется по характеристикам отраженного излучения.
Система Koheras Acoustik пользуется спросом. Это модульная многоканальная система из волоконных лазеров с низким уровнем шума. Система может включать в себя до 16 модулей. В установку могут добавляться лазеры с требуемой длиной волны, которыми можно управлять из единого центра. Возможность собирать требуемую установку из отдельных модулей является отличительной особенностью продукции NKT Photonics. Эти лазеры были использованы в исследованиях по регистрациию гравитационных волн. Конструкция лазера с низким уровнем шума отличается от конструкции суперконтинуумных лазеров.
На сегодняшний день выпуск суперконтинуумных лазеров по-прежнему остается важным направлением в работе компании NKT Photonics. Перестраиваемый мультиканальный лазер серии Fianium генерирует излучение в диапазоне длин волн 400–2400 нм, мощность излучателя достигает до 20 Вт. Все компоненты совместимы с другим оборудованием компании NKT Photonics.
Акустооптический перестраиваемый фильтр серии SuperK имеет программное управление. Ширина полосы пропускания фильтра для лазеров серии SuperK составляет 1–2 нм. Существует возможность перестройки от 1 до 8 линий.
Другие возможные модификации фильтра:
• SuperK Extend для перестройки в диапазоне 265–480 нм, ширина линии 2–12 нм;
• SuperK Varia для перестройки в диапазоне 400–840, ширина линии 10–100 нм;
• SuperK Select для перестройки в диапазоне 400–2 400 нм.
SuperK Extend UV – устройство для расширения диапазона перестройки суперконтинуумных лазеров. С помощью данного узла можно добиться генерации излучения на длинах волн от 265 до 480 нм. Область использования данного оборудования – возбуждение флуоресценции различных структур, являющихся предметом изучения в биологии и медицине.
Лазеры NKT Photonics компактны, имеют воздушное охлаждение, переходят в рабочий режим в течение 10 минут. Это оборудование с высоким уровнем качества и надёжности.
На выставке был представлен суперконтинуумный лазер SuperK EVO. NKT Photonics первая в мире начала производить лазеры подобного типа. Кроме того, NKT Photonics выпускает суперконтинуумный лазер для среднего ИК-диапазона серии SuperK MIR mid IR. Диапазон перестройки данного лазера составляет 900–4 200 нм. Лазер SuperK MIR mid IR можно комбинировать с FTIR-спектрометром (фурье ИК-спектрометром).
Компания NKT Photonics обладает одной из лучших технологий по производству оптоволокна в мире и поставляет оптоволокно для многих ведущих производителей лазерной техники. Это итербиевое оптоволокно с полимерным защитным покрытием (англ. PCF) из кремния. Такое оптоволокно NKT Photonics использует во всем своем оборудовании, в том числе для фемто- и пикосекундных волоконных лазеров. Данное оптоволокно широко используется в промышленности. Производитель гарантирует ресурс работы оптоволокна – два года. И уже в течение 7 лет компания непрерывно тестирует свою продукцию. Результаты экспериментов свидетельствуют о ее высокой надёжности. А по истечению срока гарантии на оборудование NKT Photonics предоставляет услуги его сервисного обслуживания. Кроме того, в компании проводятся статистические исследования в отношении надежности различных узлов. Анализ направлен на то, чтобы улучшить качество производимой продукции.
Однако использование оптического волокна лишь частично решает проблему. При использовании нелинейных свойств стандартных волокон (например SMF‑28) можно получить широкий спектр только в длинноволновой области. А при накачке около 1 064 нм свет в видимой части спектра не генерируется.
Новый этап по усовершенствованию суперконтинуумных источников начался в середине 1990-х годов благодаря разработке фотонно-кристаллического оптоволокна Филиппом Расселом и Джонатаном Найтом. Данные оптические волноводы обладают свойствами, которые зависят не только от материала, как в обычных волокнах, но и от структуры массива крошечных отверстий, окружающих сердцевину оптоволокна.
Необычная структура этих оптических волокон имеет ряд преимуществ, которые включают в себя относительно низкие производственные затраты (вся конструкция основана на чистом кварцевом стекле без каких-либо легирующих примесей) и уникальные оптические свойства. Наиболее заметной особенностью является возможность адаптировать дисперсионную способность таким образом, чтобы длина волны нулевой дисперсии могла быть перемещена в область 1 мкм или даже менее 1 мкм. Значение этих уникальных особенностей было впервые понято в 2000 году в лаборатории Bell Labs. Специалистам удалось продемонстрировать генерацию суперконтинуума в фотонно-кристаллическом оптоволокне с использованием титан-сапфирового лазера в качестве накачки [2].
В настоящее время хорошо известно, что если длина волны накачки лежит вблизи длины волны нулевой дисперсии, то нелинейное спектральное уширение может проявляться почти симметрично как для коротковолнового, так и для длинноволнового диапазона в результате согласования групповой скорости для стоксовых и антистоксовых компонент. Следовательно, существует возможность получения чрезвычайно широкого спектра, охватывающего весь диапазон длин волн от 400 до 2 500 нм.
В 2005 году появились готовые суперконтинуумные источники, которые привлекали внимание в основном отдельных научных работников или исследовательских групп, интересующихся тем, как данная технология может быть использована в рамках исследований или в разработке продукта. На сегодняшний день суперконтинуумные источники света используются во многих сферах: от науки до промышленных установок и медицинских инструментов.
За последнее десятилетие развитие суперконтинуумных лазеров было обусловлено как технологическими достижениями, так и изменениями требований на рынке. Производители суперконтинуумных источников параллельно занимаются двумя вопросами: исследованием фундаментальных ограничений для данной технологии, а также адаптацией производительности и параметров лазеров для конкретных приложений. Хорошее понимание основ технологии позволяет создавать более экономичные и надежные лазеры. С момента своего первого появления суперконтинуумные лазеры развивались в следующих основных направлениях: повышение мощности и расширение спектрального диапазона. Кроме того, происходило наращивание объемов производства. При этом сохранение низкой стоимости и высокой степени надежности являлись первостепенными задачами.
РЕГУЛИРОВКА МОЩНОСТИ
Почти все суперконтинуумные волоконные лазеры имеют одну и ту же базовую конфигурацию: лазер накачки с высокой пиковой мощностью для эффективного инициирования нелинейных эффектов в оптических волокнах и фотонно-кристаллическое оптоволокно. Источники накачки обычно основаны на архитектуре усилителя мощности с задающим генератором (MOPA – master oscillator power amplifier), где сверхкороткие импульсы с длиной волны порядка 1 064 нм от основного генератора усиливаются в волоконном усилителе высокой мощности, легированном иттербием. При этом в качестве накачки используется либо один или несколько лазерных диодов с высокой интенсивностью излучения, либо диодные модули.
Импульсы с высокой интенсивностью пиков, полученные с использованием этой архитектуры, вводятся в нелинейное фотонно-кристаллическое оптоволокно и подвергаются спектральному уширению для создания суперконтинуума. В первом приближении степень спектрального уширения определяется пиковой мощностью импульса, которая при заданной средней мощности лазера накачки обратно пропорциональна длительности импульса и его частоте повторения. Гибкость конструкции системы накачки позволяет независимо изменять параметры основного генератора и волоконного усилителя. Мощность излучения, которое заводится в оптоволокно, может быть увеличена относительно эффективным и легким способом. Для этого используется задающий генератор с более высокой частотой повторения импульсов и волоконный усилитель, способный поддерживать более высокую среднюю мощность.
Стоит отметить, что для достижения высокой мощности суперконтинуумного излучения необходимо, чтобы источник накачки работал в непрерывном режиме. На первый взгляд, для формирования значительного спектрального уширения требуемая средняя мощность непрерывного излучения от волоконного лазера должна быть порядка нескольких киловатт. Однако на самом деле заметное спектральное уширение наблюдается при уровнях мощности всего в десятки или сотни ватт. Для суперконтинуумных источников с системой накачки, работающей в непрерывном режиме, нелинейные эффекты в фотонно-кристаллическом оптоволокне преобразуют начальные "плоские" оптические сигналы от усилителя мощности в поток хаотически распределенных коротких импульсов с пиковыми мощностями на порядок выше в сравнении с первоначальным сигналом. Таким образом, формируется излучение с широким спектром [3].
Текущая деятельность в этой области в основном ограничивается научными исследованиями, и все коммерчески доступные суперконтинуумные лазеры используют задающий генератор оптических импульсов с четко определенными параметрами. Данный узел чрезвычайно важен для приложений. Как уже упоминалось ранее, природа генерации суперконтинуума основана на нелинейном спектральном уширении отдельных импульсов. Следовательно, изменяя как частоту повторения импульсов, так и среднюю мощность задающего генератора, получаем возможность варьировать время между появлением отдельных импульсов. Это очень важно для приложений, где большую роль играет временное разрешение. Для отдельного суперконтинуумного лазера вариация частоты повторения импульсов может быть реализована с использованием акустооптического модулятора, который играет роль затвора для входящего потока оптических импульсов (рис.1). Для волоконного суперконтинуумного лазера, оснащенного встроенным модулятором импульсов, спектральная плотность уменьшается с частотой повторения, но энергия импульса остается постоянной, что позволяет получить форму оптического спектра, которая не зависит от частоты повторения импульсов. Таким образом, суперконтинуумные источники с модулятором импульсов обеспечивают идентичность формы спектра при различной плотности импульсов.
РАСШИРЕНИЕ СПЕКТРА СУПЕРКОНТИНУУМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ДО УФ-ДИАПАЗОНА
Первые суперконтинуумные волоконные лазеры обеспечивали высокую интенсивность излучения в спектральном диапазоне от 500 до 2 400 нм. Поскольку многие биологические молекулы поглощают электромагнитный спектр УФ-диапазона, для научных исследований в области биологии и медицины, таких как построение флуоресцентных изображений или единичный подсчет фотонов с корреляцией по времени, можно с успехом использовать суперконтинуумные источники, в спектр которых входит УФ-область.
Потребность расширения спектра до 400 нм и менее потребовала более глубокого понимания физики генерации суперконтинуума, чему способствовало исследование, опубликованное в 2008 году [4]. В упрощенных терминах генерация суперконтинуумного излучения является сложным процессом четырехволнового взаимодействия. Чтобы сделать этот процесс эффективным, групповые скорости стоксовой и антистоксовой компонент должны быть равны или очень близки друг к другу. Следовательно, длина волны лазера накачки должна быть в окрестности длины волны нулевой дисперсии. Фотонно-кристаллическое волокно может быть адаптировано для расширения спектра в УФ-область путем модификации его конструкции. Речь идет о соотношении размеров отверстий к расстоянию между отверстиями, что позволяет согласовать групповой показатель преломления длинноволновых и коротковолновых компонент спектра.
Износ кварцевого стекла на длинах волн более 2 500 нм становится слишком высоким для эффективной генерации стоксовых компонент, и в обычном фотонно-кристаллическом оптоволокне групповая скорость этой полосы соответствует групповой скорости антистоксовой составляющей при 450 нм (рис.2). Принимая 2 500 нм в качестве фиксированной длины волны, которая не может быть изменена (из-за износа материала), единственным способом расширить спектр в УФ-область может быть создание дисперсии в волокне таким образом, чтобы групповая скорость при 2 500 нм соответствовала максимально короткой длине волны в УФ-диапазоне. Путем изменения конструкции волокна с помощью варьирования размера и положения отверстий можно создать требуемый профиль дисперсии для расширения спектра до 375 нм (рис. 3).
Суперконтинуумные источники с расширенным спектром до УФ-диапазона (SuperK EXU‑6) при непрерывной работе более 2500 часов демонстрируют высокую стабильность и надежность (рис.3)
НИЗКАЯ СТОИМОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ОТКРЫВАЮТ НОВЫЕ РЫНКИ
Снижение стоимости суперконтинуумных лазеров происходит не только вследствие увеличения объема производства, но и за счет технологических достижений, таких как усовершенствование системы диодной накачки.
Соотношение затраты/мощность для волоконно-оптического лазера с высокой интенсивностью излучения продолжает снижаться с уровня 200 долл./Вт, что соответствует рубежу 2003/04 годов, до текущего уровня ниже 10 долл./Вт. Повышение надежности суперконтинуумных лазеров является результатом накопленного опыта и успехов в проектировании их конструкции.
Возможность взаимодействия с крупными партнерами из области промышленности позволила нам накопить десятилетний опыт работы с данной технологией. Высокая степень эффективности технологии подтверждается непрерывной стабильной работой лазеров порядка 10 000 часов в условиях повышенных нагрузок.
Высокая надежность в сочетании с низкой стоимостью и продвинутой оптико-волоконной технологией, несомненно, приведет к внедрению суперконтинуумных источников в различные области науки и промышленности, включая нанотехнологии, биомедицину и бытовую электронику.
NKT Photonics (Дания) – ведущий производитель волоконных лазеров высокой производительности и фотонно-кристаллических волокон. Основная продукция включает в себя: импульсные лазеры, системы детектирования, различные волокна для специальных применений и источники суперконтинуума. Все продукты NKT Photonics производятся в соответствии с сертификацией ISO 9001 : 2008. Компания ОЭС "Спецпоставка" представляет весь спектр продукции NKT Photonics на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия сотрудничества, полную техническую поддержку, а также поставку образцов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Alfano R. R. and Shapiro S. L. – Phys. Rev. Lett., 1970, v.24, № 11, p.584–587.
2. Ranka J. K., Windeler R. S., Stentz A. J. – Opt. Lett., 2000, v.25, p.25–27.
3. Cumberland B. A. et al. – Opt. Exp., 2008, v.16, № 8, p.5954–5962.
4. Stone J. M. Knight J. C. – Opt. Exp., 2008, v.16, № 4, p.2670–2675.
На выставке LASER WORD of Photonics – 2017 компания NKT Photonics анонсировала покупку компании Fianium и представила свою новую продукцию, а также линейку традиционных продуктов, пользующихся высоким спросом
У компании NKT Photonics есть несколько главных производственных направлений: производство волоконной оптики, линейных оптических датчиков, широкополосных лазеров, сверхбыстрых волоконных лазеров, волоконных усилителей, распределённых датчиков температуры, акустических колебаний и механических напряжений. Стратегической задачей в работе компании является фокусировка на практических приложениях. Самой передовой областью на данный момент являются суперконтинуумные лазеры и волоконно-оптические датчики.
В основном волоконно-оптические датчики используются для мониторинга различных процессов в промышленности. В компании разрабатывают много проектов, связанных с газовой и нефтяной промышленностью. Датчики используются в установках извлечения нефти или газа и их дальнейшей переработки.
Распределенный датчик температуры (англ. DTS – Distributed Temperature Sensing) является инновационной разработкой NKT Photonics. Датчик имеет широкий диапазон дальности обнаружения неполадок на объекте – до 70 км – и используется для обнаружения утечек в трубопроводе. Связь может быть обеспечена с помощью кабеля или беспроводным способом. Датчик можно использовать во многих средах: нефть, природный газ, сжиженный газ, вода, бетон. Датчик может быть адаптирован под заданную физическую среду, он рассчитан на диапазон температур от –180 до 400 °C. Датчик может быть использован для добычи нефти и газа, в реакторах, в химической промышленности, в системах хранения нефти и газа. Среднее время безотказной работы составляет 32 года. При этом датчик не требует обслуживания. В мире не существует аналогов для данного устройства. Датчик включает в себя пассивный охладитель, не содержит вентиляторов и подвижных механических компонентов. Оптоволокно для него является собственной разработкой NKT Photonics. Для каждого приложения используется соответствующее специальное оптоволокно.
У компании есть множество проектов, связанных с обнаружением пожаров в туннелях, метро, аэропортах, небоскрёбах. NKT Photonics располагает сертификационными документами, которые разрешают ей выполнять эту деятельность.
Другое направление производства – многоканальный волоконный лазер с низким уровнем шума. Устройство имеет 16 каналов. Лазер отличается возможностью генерировать излучение с очень низким отклонением от заданных величин интенсивности и длины волны. Ширина линии генерации составляет 100 Гц. С помощью использования лазера и оптоволокна можно определить температуру в заданной области. Лазер применяется в таких сферах, как: когерентная оптическая связь, лазерное охлаждение атомов, лазерный пинцет. Существует возможность измерять скорость ветра для оценки перспектив строительства электростанции. Скорость движения частиц в воздухе определяется по характеристикам отраженного излучения.
Система Koheras Acoustik пользуется спросом. Это модульная многоканальная система из волоконных лазеров с низким уровнем шума. Система может включать в себя до 16 модулей. В установку могут добавляться лазеры с требуемой длиной волны, которыми можно управлять из единого центра. Возможность собирать требуемую установку из отдельных модулей является отличительной особенностью продукции NKT Photonics. Эти лазеры были использованы в исследованиях по регистрациию гравитационных волн. Конструкция лазера с низким уровнем шума отличается от конструкции суперконтинуумных лазеров.
На сегодняшний день выпуск суперконтинуумных лазеров по-прежнему остается важным направлением в работе компании NKT Photonics. Перестраиваемый мультиканальный лазер серии Fianium генерирует излучение в диапазоне длин волн 400–2400 нм, мощность излучателя достигает до 20 Вт. Все компоненты совместимы с другим оборудованием компании NKT Photonics.
Акустооптический перестраиваемый фильтр серии SuperK имеет программное управление. Ширина полосы пропускания фильтра для лазеров серии SuperK составляет 1–2 нм. Существует возможность перестройки от 1 до 8 линий.
Другие возможные модификации фильтра:
• SuperK Extend для перестройки в диапазоне 265–480 нм, ширина линии 2–12 нм;
• SuperK Varia для перестройки в диапазоне 400–840, ширина линии 10–100 нм;
• SuperK Select для перестройки в диапазоне 400–2 400 нм.
SuperK Extend UV – устройство для расширения диапазона перестройки суперконтинуумных лазеров. С помощью данного узла можно добиться генерации излучения на длинах волн от 265 до 480 нм. Область использования данного оборудования – возбуждение флуоресценции различных структур, являющихся предметом изучения в биологии и медицине.
Лазеры NKT Photonics компактны, имеют воздушное охлаждение, переходят в рабочий режим в течение 10 минут. Это оборудование с высоким уровнем качества и надёжности.
На выставке был представлен суперконтинуумный лазер SuperK EVO. NKT Photonics первая в мире начала производить лазеры подобного типа. Кроме того, NKT Photonics выпускает суперконтинуумный лазер для среднего ИК-диапазона серии SuperK MIR mid IR. Диапазон перестройки данного лазера составляет 900–4 200 нм. Лазер SuperK MIR mid IR можно комбинировать с FTIR-спектрометром (фурье ИК-спектрометром).
Компания NKT Photonics обладает одной из лучших технологий по производству оптоволокна в мире и поставляет оптоволокно для многих ведущих производителей лазерной техники. Это итербиевое оптоволокно с полимерным защитным покрытием (англ. PCF) из кремния. Такое оптоволокно NKT Photonics использует во всем своем оборудовании, в том числе для фемто- и пикосекундных волоконных лазеров. Данное оптоволокно широко используется в промышленности. Производитель гарантирует ресурс работы оптоволокна – два года. И уже в течение 7 лет компания непрерывно тестирует свою продукцию. Результаты экспериментов свидетельствуют о ее высокой надёжности. А по истечению срока гарантии на оборудование NKT Photonics предоставляет услуги его сервисного обслуживания. Кроме того, в компании проводятся статистические исследования в отношении надежности различных узлов. Анализ направлен на то, чтобы улучшить качество производимой продукции.
Отзывы читателей
