В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию волоконно-оптических датчиков-преобразователей различных физических величин. Это связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с свойствами этих датчиков. Они искро- и пожаробезопасны, устойчивы к электромагнитным помехам, малогабаритны, потребляют мало энергии. Они также позволяют создавать как локальные, так и распределенные на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля. Особенно перспективны волоконно-оптические датчики и системы во взрывоопасных производствах и системах экологического мониторинга.
Датчики преобразования давления, температуры, измерения перемещений, скоростей и ускорений разработаны довольно хорошо. Сравнительно мало разработаны датчики-преобразователи электромагнитных полей и особенно мало разработок для области СВЧ-полей. Волоконно-оптические датчики (ВОД) магнитных и электрических полей разрабатываются в основном для дистанционного контроля в сетях постоянного и переменного тока. Потребность в них возникает в связи с тем, что для прямого измерения токов и напряжений в высоковольтных сетях требуются специальные методы и средства для развязки высокого напряжения в сети и низкого напряжения измерительной аппаратуры.
Волоконная оптика применяется и в системах обработки информации. Имеется ряд оптических устройств и систем: аналоговые и цифровые оптические процессоры, волоконные преобразователи сигналов, спектроанализаторы, корреляторы, навигационные лазерные оптические системы. Эти устройства и системы оказались более эффективными, чем традиционные радиотехнические устройства и системы аналогичного назначения.
Для увеличения дальности волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) используются усилители оптического сигнала (ретрансляторы). В оптоэлектронных ретрансляторах слабый оптический сигнал, принимаемый фотоприемником, после прохождения участка ВОСП преобразуется в электрический, усиливается, опять преобразуется в оптический и вводится в следующий отрезок волоконно-оптического тракта. Длина участка без ретрансляции достигает обычно 50–100 км. Сложность, сравнительно низкая надежность и высокая стоимость оптоэлектронных ретрансляторов препятствует широкому распространению ВОСП. Указанные трудности устраняются с помощью оптических квантовых усилителей на активных волокнах. Эти же волокна можно использовать как входные и выходные усилители мощности излучения, лазеры и полосовые фильтры.
В обычных волокнах происходит только поглощение и рассеяние светового излучения, в оптических волокнах, легированных некоторыми элементами, создаются условия для его усиления. Обычно для этих целей используются одномодовые волокна со ступенчатым профилем ПП, легированные редкоземельными элементами с метастабильными электронными уровнями [1]. Излучение определенной длины волны (излучение накачки), проходящее через волокно, поглощается ионами легирующей присадки и затем высвечивается в длинноволновом диапазоне. Это явление называется спонтанной (самопроизвольной) флюоресценцией. При накачке волокон с присадками, имеющими метастабильные электронные уровни, часть электронов задерживается на этих уровнях довольно длительное время (от 0,5 до 14 мс), образуя квантово-активную оптическую среду. В этой среде сигнал на длине волны в полосе флюоресценции не ослабляется, а усиливается вследствие известного эффекта вынужденного излучения, связанного с переходом электронов из метастабильного на нижний энергетический уровень под влиянием слабого резонансного воздействия.
Если, одновременно с излучением слабой непрерывной накачки, в волокно ввести слабое излучение сигнала на рабочей длине волны в области длины волны флюоресценции, то мощность сигнала возрастает по мере прохождения по волокну, т. е. произойдет усиление оптического сигнала.
Если из упомянутого волокна образовать резонатор (например, сформировать зеркала на торцах), обеспечивающий положительную обратную связь достаточной величины, чтобы возвращаемая в активную область мощность накачки превышала некоторый пороговый уровень, компенсирующий потери за один проход волны, то при достаточной мощности накачки будет наблюдаться генерация лазерного излучения на длине волны флюоресценции.
Усиление и генерацию в диапазоне, представляющем наибольший интерес для ВОСП, обеспечивают, как правило, ионы редкоземельных элементов с метастабильными энергетическими уровнями [2]: неодима(Nd), эрбия (Еr), иттербия(Yb), церия (Zr) и празеодима (Рr). Существуют также другие легирующие материалы, позволяющие создавать активные среды, в частности, ионы переходных металлов, например, хрома (Сr). Необходимый уровень легирования для генераций обычно составляет всего несколько сот атомов примеси на миллион окружающих атомов (100...300)10–6 (или 100–300 ррм / частиц на миллион /). Ведутся работы по увеличению концентрации до 1000 ррм с целью уменьшения длины рабочей зоны усилителей.
Локализация света и легирующих элементов в сердцевине одномодовых волокон улучшает как эффективность использования квантоактивных оптических сред, так и излучения накачки при изготовлении нелинейных оптических элементов (генераторов, усилителей и преобразователей частоты). В результате снижается порог генерации и повышается квантовый выход.
Отрезки активных волокон могут присоединяться непосредственно к магистральным волокнам. Таким образом, появляется возможность создания полностью оптических устройств и систем из компактных и малоэнергоемких волоконных элементов.
Эффекты усиления и генерации излучения впервые наблюдались на неодимовых стеклах, а затем и на стеклах, легированных другими редкоземельными элементами. Активные стекла отличаются от активных кристаллов более широкими линиями поглощения и флюоресценции, что обеспечивает более широкий выбор источников накачки. Туннельный характер перехода и широкая полоса флюоресценции позволяет получать более короткие и мощные импульсы. Активные волокна лишены недостатков, присущих активным стеклам, например таким, как высокий порог генерации и низкая теплопроводность. Действительно, большая длина резонатора и сильное поглощение мощности накачки в сердцевине малого диаметра приводит к снижению порога генерации, а большое отношение длины к диаметру сердцевины обеспечивает хороший отвод тепла. Следует отметить, что к активным волокнам не предъявляется требование обладания сверхнизкими потерями, т. к. для получения усилителей и лазеров достаточно отрезков длиной не более 10м. Вследствие этого легирование можно проводить достаточно простым способом, т. е. посредством пропитки сердцевины растворами солей редкоземельных элементов.
Для создания активной оптической среды и усиления необходимы три фактора [1]:
1) механизм перевода электронов в возбужденное состояние (накачка светом, электронным пучком и др.) с соответствующими энергетическими затратами;
2) наличие у ионов метастабильных энергетических электронных уровней;
3) соответствие длины волны оптического сигнала полосе флюоресценции.
На рис. 1 показаны диаграммы энергетических состояний ионов Еr3+ и Nd3+ и схемы переходов электронов при возбуждении и флюоресценции. В нормальном, невозбужденном состоянии, электроны наружной оболочки Еr3+ находятся на нижнем энергетическом уровне Е1 (4 I15/2), рис. 1а. При воздействии излучения накачки 980 нм электроны оболочки переходят на более высокий энергетический уровень Е3 (4 I11/2), рис. 1а. Этот уровень нестабилен, и, поэтому, электроны довольно быстро, за время 10 мкс, переходят на другой метастабильный уровень E2 (4 I13/2). На этом уровне они задерживаются большее время (14 мс), и самопроизвольно (спонтанно) переходят на уровень Е1 с испусканием фотона. Полоса флюоресценции этого перехода имеет максимум на длине волны =1536 нм.
Рис. 1. Диаграммы переходов возбужденных электронов в трехуровневой (Еr3+) и четырехуровневой (Nd3+) системах
Если одновременно с излучением накачки вводить слабое излучение сигнала с длиной волны ф, то начнется процесс вынужденной флюоресценции, обусловленный переходами е2—>E1. При этом слабое излучение сигнала будет усиливаться.
Уменьшение длины волны накачки вызывает переходы на более высокие энергетические уровни Еi>Е3, откуда они очень быстро, без оптического излучения, переходят на верхний, метастабильный уровень Е3, после чего процесс идет, так описано выше.
Литература:
- Берикашвили В. Ш., Карийский С. С. Усилители, лазеры и фильтры на основе кварцевых волокон, легированных редкоземельными элементами // Зарубежная радиоэлектроника. – М., 1992. — № 7, – С. 80–99.
- Mears R. G. Optical fibers, lasers and amplifiers. Ann. Inst. of Cemical Engineers, New-York, 1987.
