Powstawanie nowych urządzeń optoelektronicznych wykorzystujących światłowody jest możliwe dzięki ciągłym poszukiwaniom odpowiednich materiałów, specyficznych, dostosowywanych do konkretnych zastosowań konstrukcji światłowodów, a także dzięki opracowywaniu procesów technologicznych ich wytwarzania, czy dalszej ich obróbki. Światłowody aktywne w układach optoelektronicznych pełnią rolę wzmacniaczy promieniowania optycznego. Zazwyczaj są to włókna o specjalnej budowie, pozwalające generować lub wzmacniać promieniowanie w szerokim zakresie widma – od ok. 350 nm do 3 000 nm. Specjalna budowa światłowodów aktywnych pozwala na optymalizację ich parametrów pod kątem wykorzystania tych włókien do budowy konkretnych, wysokosprawnych układów laserów włóknowych.
Monografia zawiera wyniki badań własnych autora, poświęconych szkłom i wytworzonym z nich światłowodom aktywnym. W pierwszej części pracy podano niezbędne informacje dotyczące: budowy i parametrów fizycznych światłowodu, wymagań, które powinny spełnić szkła używane w technice światłowodowej, metod wytwarzania światłowodów oraz analizy wpływu aktywnych domieszek na luminescencyjne właściwości szkieł i światłowodów.
W drugiej części monografii autor przedstawił warunki syntezy i właściwości wytworzonych szkieł aktywowanych pierwiastkami ziem rzadkich. Opracowane zostały szkła aktywne: krzemianowe, fosforanowe i antymonowe, które charakteryzują się silną luminescencją w zakresie 1,0-1,3 mm. Na szczególną uwagę zasługują tu szkła domieszkowane jednocześnie dwoma lantanowcami. Szkła krzemianowe, w wyniku modyfikacji ich struktury tlenkiem glinu, są w stanie akceptować duże ilości pierwiastków ziem rzadkich. Dla tych szkieł maksymalne wartości luminescencji osiągnięto przy stężeniach pierwiastków optycznie aktywnych: Nd3+ (2,5 % wag.), Yb3+ (3 % wag.). W szkłach domieszkowanych neodymem otrzymano rzadko spotykane w matrycach na osnowie krzemianowej pasmo luminescencji przy długości fali 880 nm, które powstało w wyniku przejścia 4F3/2 ®4I9/2. Wytworzone szkła fosforanowe charakteryzują się jeszcze większą zdolnością do akceptowania w swojej strukturze dużych stężeń pierwiastków ziem rzadkich: Nd2O3 (8% wag.), Yb2O3 (9 % wag.), co pozwala na osiągnięcie dużego wzmocnienia pasma luminescencji na znacznie krótszym odcinku światłowodu.
Szkła o niższej energii drgań fononów, domieszkowane jednocześnie jonami Nd3+ i Yb3+ oparte na osnowie tlenkowo-fluorkowej (krzemianowe i fosforanowe) oraz tlenkowej (antymonowe), zaprojektowano w celu uzyskania dużej sprawności transferu energii pomiędzy jonami domieszek aktywnych. Szkła te, w wyniku pobudzania promieniowaniem diody laserowej (λ=808nm), charakteryzują się szerokim widmem luminescencji (λ = 100nm) w pobliżu 1µm, będącym superpozycją przejść 4F3/2→4I11/2 (Nd3+) i 2F5/2→2F7/2 (Yb3+).
Opracowane szkła posłużyły do uformowania dwóch serii światłowodów aktywnych o oryginalnych konstrukcjach: światłowodów wielordzeniowych oraz światłowodów o spiralnych rdzeniach. Właściwości tych światłowodów zoptymalizowano pod kątem ich użycia do budowy nowej generacji zminiaturyzowanych laserów włóknowych.
Światłowody o spiralnych rdzeniach, dzięki swojej konstrukcji, charakteryzują się wysokim współczynnikiem absorpcji promieniowania pompującego oraz zwiększoną objętością spiralnie zwiniętego aktywnego rdzenia, przy zachowaniu warunków jednomodowego reżimu pracy. Znajdą one zastosowanie w konstrukcjach źródeł impulsowych oraz źródeł promieniowania pracujących z wykorzystaniem zjawiska wzmocnionej emisji spontanicznej ASE.
Światłowody wielordzeniowe, z racji zwiększonej objętości ich obszaru aktywnego, pozwalają na konstrukcję znacznie krótszego rezonatora laserowego, a co za tym idzie, dają obok miniaturyzacji całego układu, możliwości uzyskania wąskich linii generacji. Fakt ten, w połączeniu z ich unikalną cechą pozwalającą na formowanie supermodu poprzez sprzęganie wiązek promieniowania generowanych w każdym z rdzeni światłowodu wielordzeniowego, sprawia, że emitowane przez ten światłowód promieniowanie laserowe cechuje się małą rozbieżnością. Jest to szczególnie ważne w konstrukcjach układów interferometrycznych.
Zawarte w tej monografii wyniki badań mogą być wykorzystane przez specjalistów zajmujących się projektowaniem i wytwarzaniem specjalnych szkieł i światłowodów aktywnych, a także, konstruowanych na ich bazie urządzeń optoelektronicznych.
Praca może być również pomocna studentom i doktorantom inżynierii materiałowej i optoelektroniki.

Spis treści

Wstęp

I. Światłowody – charakterystyka, przegląd metod wytwarzania.
Wymagania, które powinny spełniać szkła stosowane w budowie światłowodów

1. Światłowód – budowa, parametry
1.2. Kąt akceptacji – apertura numeryczna światłowodu
1.3. Rodzaje światłowodów cylindrycznych
1.4. Tłumienie światłowodu
1.4.1. Straty materiałowe
1.4.2. Straty falowodowe
1.5. Droga zdudnienia
1.6. Dyspersja
1.7. Zjawiska ograniczające efektywną pracę światłowodu aktywnego

2. Szkło jako materiał dla optoelektroniki
2.1. Właściwości szkieł aktywowanych pierwiastkami ziem rzadkich
2.2. Analiza wpływu domieszek na właściwości luminescencyjne szkieł i światłowodów

3. Metody otrzymywania światłowodów
3.1. Metoda wewnętrznego osadzania szkła MCVD
3.2. Metoda zewnętrznego osadzania OVD
3.3. Metoda osiowego, pionowego osadzania z fazy gazowej VAD
3.4. Metoda tyglowa
3.5. Metoda pręt–rura

II. Szkła i światłowody aktywne – badania własne

4. Szkła aktywne dla optoelektroniki
4.1. Aktywne szkła krzemianowe
4.2. Aktywne szkła glinokrzemianowe
4.3. Aktywne szkła fosforanowe
4.4. Aktywne szkła tlenkowo-fluorkowe
4.5. Szkła jednocześnie domieszkowane jonami Nd3+ i Yb3+
4.5.1. Szkła krzemianowe tlenkowo fluorkowe
4.5.2. Szkła fluorofosforanowe i antymonowe

5. Własne konstrukcje światłowodów aktywnych
5.1. Przegląd znanych konstrukcji aktywnych światłowodów specjalnych
5.2. Aktywny światłowód wielordzeniowy
5.3. Światłowód ze spiralnym rdzeniem
5.3.1. Równanie sprzężonych modów
5.3.2. Straty promieniowania w światłowodzie o spiralnym rdzeniu
5.3.3. Mod podstawowy i mody wyższego rzędu w spiralnym rdzeniu aktywnego światłowodu dwupłaszczowego
5.3.4. Dobór parametrów światłowodu aktywnego o spiralnym rdzeniu
5.3.5. Właściwości wytworzonego aktywnego światłowodu o spiralnym rdzeniu

6. Wnioski
Literatura
Streszczenie
Summary