Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского

"УТВЕРЖДАЮ"
Декан радиофизического факультета
профессор ___________ С.Н.Гурбатов

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
курса
"ВВЕДЕНИЕ В ВОЛОКОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ЛАЗЕРЫ"
для специальности
071500 - Радиофизика и электроника
(цикл специальных дисциплин)
Н.Новгород - 2001

 1. Организационно-методический раздел.

    Курс предназначен для подготовки студентов 4-го курса РФФ специальности "Информационные системы в технике и технологиях", обучающихся в рамках специализации "Оптические информационные системы".
    В курсе подробно рассматривается перспективная и быстроразвивающаяся область квантовой электроники и волоконной оптики - физика активных (усиливающих и генерирующих оптическое излучение) волокон.
    Цель курса - продемонстрировать методологию применения знаний, полученных студентами в курсах физической оптики, квантовой радиофизики и физики твердого тела, к конкретной задаче построения оптического усилителя и лазера на стеклянном волоконном световоде.
    В курсе предпринята попытка систематизировать знания о спектроскопических характеристиках примесных ионов в матрице твердого тела. Приведены основные сведения из базовых теоретических аппаратов анализа оптических спектров ионов группы лантана. Подробно рассмотрены специфические оптические явления в аморфной низкофононной системе на примере стекла, синтезированного из фторидов тяжелых металлов.
    Приведены практические схемы волоконных усилителей (ВУ) и лазеров (ВЛ), включающие современные разработки, с анализом физики процессов переноса энергии. Рассмотрены все основные компоненты, входящие в реальную конструкцию ВУ и ВЛ.
    Курс сопровождается двумя экспериментальными демонстрациями, 1 специальной лабораторной работой и демонстрационной экскурсией в Лабораторию сверхчистых ИК волокон ИХВВ РАН.

1. Введение. Структура современной быстродействующей волоконно-оптической магистрали. Понятие волоконного усилителя, лазера, их классификация. Сравнение оптоэлектронных: задающего генератора и усилителя/ретранслятора с волоконными.
2. Роль волноводной структуры в формировании лазерного излучения. Оптическое волокно. Активные и пассивные волокна. Характеризация оптического волокна: числовая апертура, длина волны отсечки, модовый параметр, дисперсионные характеристики, оптические потери.
3. Принципы возбуждения волноводных мод в оптоволокне, селекторы, разветвители, спектральные мультиплексоры/демультиплексоры. Резонатор в волоконном лазере: зеркальные Фабри-Перо, кольцевые, селективная Брэгговская решетка. Фоточувствительность стекол.
4. Легирование оптоволокна. Сравнение групп примесных (легирующих) элементов для усиления в оптическом диапазоне.
5. Спектроскопия ионов редкоземельных элементов (РЗЭ) в твердом теле (кристалл, стекло, керамика). Группа лантаноидов в периодической системе элементов. Специфика заполнения, архитектуры и оптических свойств 4f оболочки. Принцип Паули и антисимметрия волновых функций для эквивалентных электронов. Связь Рассел-Саундерса. Обозначения термов, правило Хунда. Влияние базовой матрицы. Теория Джадда-Офельта.
6. Различные механизмы взаимодействия РЗЭ ионов: резонансное, обменное, рекомбинационное и др. Миграция и перенос энергии электронных возбуждения. Кинетика послесвечения и выход люминесценции при переносе энергии. Многофононная релаксация и кросс-релаксация. Теория Декстера-Миякавы-Галанина.
7. Основные типы волоконных усилителей/лазеров: Er, Nd, Pr, Tm, Yb, Ho и т.д. Рамановский усилитель/лазер.
8. Накачка волоконных лазеров. Возбуждение через вторичную оболочку. Динамика усиления и генерации. Управление характеристиками усиливающей системы. Перестройка по спектру, в т.ч. "свиппирование". Одночастотная генерация. Сверхкороткие импульсы, синхронизация мод.
9. Особые виды переноса энергии: кроссрелаксационное и нелинейное взаимодействие. Суммирование и размножение электронных возбуждения ионов РЗЭ. Специальные эффекты в волоконно-оптических лазерах и усилителях. Каскадное преобразование с повышением частоты. Температурные и магнитооптические эффекты. Нелинейные явления.
10. Заключение. Проблемы, перспективы развития. Обзор современного состояния науки и технологии в данной области.

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля.

Итоговый контроль: зачет (экзамен) в конце 9-го семестра.

5. Учебно-методическое обеспечение курса.

5.1. Рекомендуемая литература (основная).

1. Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers / Edited by Digonnet M.J.F. - Stanford University, California, 2^nd edition, 2001, 792 p.
2. Desurvire E. Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Principles and Applications - J.Wiley, NY, 1994, 375p.
3. Ельяшевич М.А. Спектры редких земель - М., Гостехиздат, 1953, 456с.
4. Miyajima Y., Komukai T., Sugawa T., Yamamoto T. // Opt. Fiber Tech. 1 (1994), p.35
5. Каминский А.А. Лазерные кристаллы. - М., Наука, 1975, 255с.
6. Чукова Ю.П. Антистоксова люминесценция и ее применение в народном хозяйстве. -М., Радио и Связь, 1986, 240с.
7. Озель Ф. // Труды ТИИЭР, 1973, т.6, с.87.
8. Овсянкин В.В., Феофилов П.П. //Письма в ЖЭТФ, 1966, т.3, с.494 и 1966, т.4, с.471.
9. Казарян А.К., Тимофеев Ю.П., Фок М.В. //Труды ФИАН, 1986, т.175

5.2. Рекомендуемая литература (дополнительная).

1. Сорокин Ю.М., Ширяев В.С. Оптические потери в световодах. Н.Новгород: Изд-во ННГУ, 2000 г. 324 с.
2. Bloembergen N. // Phys.Rev. Letters, 1959, V.2, p84.

Составитель программы:
ассистент В.А.Гурьев