Напрямки розвитку волоконної оптики (стр. 4 из 7)
, (2.16)який придатний тільки при V
0,5, так як з (2.4) випливає, що 
.Розмір плями та постійна поширення цілковито характеризують поле основної моди, а відповідно, й передавальні властивості одномодових світловодів, що розглядаються нижче. Доцільність введення параметра V випливає з того, що
залежить лише від V.2.5 Діапазон значень V для одномодового режиму
При збільшенні V вище певного визначеного значення стає можливим поширення й інших мод; для світловодів зi ступінчастим профілем це значення
, а для волокон з гаусівським профілем 
. Проте в реальних випадках волокна є "ефективно одномодовими" i при великих значеннях V (наприклад при V 
3 для ступінчастого профілю), оскільки моди вищих порядків мають великі втрати на випромінювання, викликані не регулярностями волокон.Розподіл густини потужності, або профіль інтенсивності
, представлений у табл. 2.1, має вигляд
,тобто зі збільшенням відстані від oci інтенсивність спадає експоненційно.
В табл. 2.1 наведені вирази для параметрів основної моди, які виражені через розмір плями
для гаусівського i ступінчастого профілів.Таблиця 2.1 Параметри основної моди
| Густина потужності у z-напрямку |  | |
| Сумарна потужність |  | |
Доля потужності у січенні від 0 до  |  | |
| Гаусівський профіль показника заломлення | Ступінчастий профіль показника заломлення | |
 при  |  |  |
 |  |  |
 |  |  при  |
При менших значеннях V зниження відбувається повільніше, тому, чим менше V, тим менша частина загальної потужності поширюється поблизу oci волокна. Цей ефект безпосередньо ілюструється шляхом обчислення долі потужності
в інтервалі від 0 до 
, як показано в табл. 2.1. 3 наведених даних зрозуміло, що у світловодах з малим V, випромінювання, що поширюється, захоплює більшу частину поперечного перерізу, ніж у випадку V >2 [13].На виході волоконного лазера розбіжність випромінювання приблизно визначається числовою апертурою волокна. Для градієнтного волокна, яким є волокно з гаусівським профілем, використовується поняття локальної числової апертури, яка визначається наступним виразом:
, (2.17)значення якої максимальне на oci і падає до нуля на границі розділу серцевини i оболонки. А відповідно розбіжність випромінювання визначається наступним чином [13]:
(2.18)2.6 Оптичні волокна зі ступінчастим профілем показника заломлення
Для волокна з ступінчастим профілем справедливими є наступні вирази для радіуса плями i сталої розповсюдження:
, (2.19)які приводять до інших значень параметрів у табл. 2.1(
)[13].Розбіжність випромінювання в даному волокні визначається показниками заломлення серцевини i оболонки [13]:
(2.20)волоконний лазер оптичний спектральний
2.7. Вимоги до матеріалів активних середовищ
Лазерне середовище волоконного лазера створюють легуванням серцевини волокна (основа) активаторами, що володіють заданою картиною енергетичних рівнів. Склоподібна основа (в нашому випадку кварц) повинна задовольняти деяким умовам.
• Оптична прозорість для випромінювання накачування i для випромінювання іонів активатора;
• Ефективний відвід тепла;
• Висока оптична однорідність (відсутність механічних напружень, мікровключень);
• Структура повинна допускати введення активатора в заданій концентрації.
Іони активатора вводяться в основу без порушення оптичної однорідності i механічної міцності, створюють збуджені метастабільні piвнi, час життя на яких повинен визначатись в основному випромінювальними оптичними переходами, володіють широкими смугами поглинання i сильними вузькими лініями люмінесценції. Для виготовлення таких волокон застосовують, зокрема, силікатні, фосфатні, боратні, германатні, теллуридні, фторофосфатні скла, які активовані такими рідкоземельними іонами, як Nd3+,Tb+, Но3+, Ег3+, Tm3+,Yb3+. 3 допомогою Yb3+ - волоконного лазера з домішками Tm3+ можна реалізувати волоконний лазер з пасивним переключенням добротності, при якому адсорбер інтегрований в підсилювальне волокно. Узгоджена адсорбція в цій системі базується на легуванні Tm3+.
У волоконних лазерах переважає неоднорідне розширення лінії випромінювання, механізм якого полягає в тому, що резонансні частоти окремих атомів розподіляються в деякій смузі частот (не співпадають) i, відповідно, лінія всієї системи є розширеною при відсутності розширення лінії окремих атомів. Рівні енергії, а отже i частоти переходів, залежать від найближчих сусідів кожного атома. Випадкові деформації, які завжди мають місце в оптичному волокні, змінюють це оточення від іона до ioнa, що приводить до розкиду частот переходів.
Волоконний лазер може генерувати як в неперервному, так i в імпульсному режимі, які будуть розглянуті нижче. Модовий режим роботи буде залежати від оптичного волокна, яке використовується.
2.8 Схема накачування волоконного лазера
Спектр випромінювання активатора може відповідати три- або чотири рівневі cxeмi. В своїй більшості іони рідкоземельних металів володіють набором енергетичних рівнів, що відповідають чотири рівневі системі.
Рис. 2.4. Схема розміщення енергетичних рівнів для Nd3+ в скляній матриці
 ,нм |  |  |  |
| 1330 | 2,05  | 1,13 | 0,62 |
| 1059 | 2,7 | 1,48 | 0,62 |
| 956 | 1,9 | 1,04 | 0,62 |
Розглянемо чотирирівневу модель роботи волоконного лазера. При термодинамічній рівновазі майже вci атоми згідно статистики Больцмана знаходяться в основному стані (нульовий рівенъ). Під дією випромінювання лазерного діода (накачування) атоми переходить з рівня 0 на рівень 3. З цього рівня атоми будуть швидко релаксувати з переходом на більш низький метастабільний рівень 2. Якщо така релаксація проходить достатньо швидко, то рівень 3 залишається практично незаселеним. Оскільки рівень 1 спочатку був незаселеним, кожний атом, що знаходиться в збудженому стані буде давати вклад в інверсію заселеності між рівнями 2 i 1. Коли в лазері виникає генерація, атоми в процесі вимушеного випромінювання переходять з рівня 2 на рівень 1.
Рис. 2.5. Схема енергетичних рівнів чотирирівневого лазера
Якщо верхній рівень накачування пустий, то швидкість, з якою верхній лазерний рівень 2 буде заселятись з допомогою накачування можна записати у вигляді: