Результат интеллектуальной деятельности: ВОЛОКОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ЛАЗЕР С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Настоящее изобретение относится к лазерам - приборам для генерации когерентных электромагнитных волн и промышленно применимо в устройствах и системах, использующих лазерное излучение.

Из существующего уровня техники известен волоконный импульсный линейный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения (WO 2004/059806 А2, Optical pulse lasers), в котором функции устройства синхронизации мод излучения выполняет насыщающийся поглотитель на основе углеродных нанотрубок, нанесенных на отражающее зеркало резонатора лазера. Основным недостатком насыщающих поглотителей, в том числе на основе углеродных нанотрубок, является их подверженность деградации при работе в условиях высокой плотности мощности падающего лазерного излучения, требуемой для достижения насыщения поглощения. В связи с этим характерный срок работы насыщающихся поглотителей составляет от нескольких сот до нескольких тысяч часов. Кроме того, приготовление однородной матрицы с углеродными нанотрубками и нанесение ее на зеркало лазера является сложным технологическим процессом, не всегда реализуемым даже в лабораторных условиях.

Известен также дисковый лазер с синхронизацией мод излучения с помощью керровской линзы в оптическом элементе, расположенном в резонаторе лазера в перетяжке пучка лазерного излучения (WO 2013050054 A1, Laser device with kerr effect based mode-locking and operation thereof). Недостатком этого решения является то, что оно предусмотрено только для лазеров с дисковой активной средой и не предусматривает использование предложенного устройства синхронизации мод излучения в волоконном лазере.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения за счет применения полупроводникового насыщающегося поглотителя (US patent 6097741, Passively mode-locked fiber lasers). Недостатком этого решения является подверженность полупроводниковых насыщающихся поглотителей деградации при работе в условиях высокой плотности мощности падающего лазерного излучения, максимальное время службы полупроводникового насыщающегося поглотителя не превышает несколько тысяч часов. Кроме того, изготовление полупроводникового насыщающегося поглотителя и совмещение его с зеркалом резонатора является сложной технологической задачей, требующей специального дорогостоящего оборудования, специальных дорогостоящих материалов и высокой квалификации.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание волоконного импульсного линейного лазера с пассивным синхронизатором мод излучения, не требующем применения сложных дорогостоящих технологий и материалов для его изготовления, имеющего неограниченный срок службы и имеющего возможность спектральной перестройки линии излучения в широком спектральном диапазоне.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном линейном лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально-селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора, согласно изобретению зеркало резонатора расположено на одной поверхности прозрачного для излучения лазера оптического элемента с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм, другая поверхность которого расположена между зеркалом и фокусирующим излучение оптическим элементом и имеет угол наклона более одного градуса к оси резонатора лазера.

В частности, другая поверхность оптического элемента с керровской нелинейностью может иметь просветляющее покрытие.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться зеркало с заданной спектральной полосой отражения.

В частности, коллиматоры и фокусирующий излучение оптический элемент могут иметь просветляющие покрытия.

В частности, между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном линейном лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально-селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора, согласно изобретению между зеркалом резонатора и фокусирующим излучение оптическим элементом расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, обе поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют просветляющее покрытие.

В частности, расстояние между зеркалом резонатора и ближайшей к нему поверхностью оптического элемента с керровской нелинейностью не превышает 1 мм.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться зеркало с заданной спектральной полосой отражения.

В частности, коллиматоры и фокусирующий излучение оптический элемент имеют просветляющие покрытия.

В частности, между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, что резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном линейном лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально-селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора, согласно изобретению зеркало резонатора является сферическим, между сферическим зеркалом резонатора и фокусирующим излучение оптическим элементом в перетяжке пучка излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, обе поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют просветляющее покрытие.

В частности, обе поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью являются брюстеровскими.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться зеркало с заданной спектральной полосой отражения.

В частности, коллиматоры и фокусирующий излучение оптический элемент имеют просветляющие покрытия.

В частности, между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, что резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является достижение малой длительности импульсов выходного излучения волоконного лазера с возможностью перестройки спектра излучения и обеспечение стабильности полученных параметров излучения в течение неограниченного времени. Малая длительность импульсов достигается за счет реализации режима синхронизации мод излучения с использованием эффекта Керра (квадратичный электрооптический эффект), обеспечивающего быстрый нелинейный отклик среды с характерным временем отклика порядка 10^-14-10^-15 с. Эффект Керра приводит к изменению значения показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля, что в случае осесимметричного гауссового пучка излучения или подобного, имеющего поперечное распределение интенсивности излучения, ″спадающее″ к краям пучка, приводит к образованию в среде наведенной так называемой ″керровской линзы″ - распределению значения показателя преломления, действующему на пучок проходящего излучения как линза. Для большинства оптических материалов, обладающий керровской нелинейностью (кварц, поликомпонентные стекла класса ТФ, сапфир, кальцит и другие) эта линза является положительной. Формирование быстрой керровской линзы в резонаторе лазера позволяет создать конфигурацию резонатора, при которой высокоинтенсивной импульс лазерного излучения имеет малые оптические потери, а длинный импульс или непрерывное излучение имеют большие оптические потери. Совместное действие керровской линзы в оптическом элементе с керровской нелинейностью и пространственной фильтрации моды (при вводе излучения в волокно), соответствующей излучению импульсов с наибольшей пиковой мощностью, приводит к селекции режима генерации коротких импульсов излучения с высокой пиковой мощностью.

Необходимо отметить, что ни одно отдельно взятое устройство не дает такого эффекта, какой дает совокупность заявленных признаков. До подачи данной заявки было неочевидно, что совокупность заявленных признаков позволит решить задачу создания волоконного импульсного линейного лазера с пассивным синхронизатором мод излучения, не требующем применения сложных дорогостоящих технологий и материалов для его изготовления, имеющего неограниченный срок службы и имеющего возможность спектральной перестройки линии излучения в широком спектральном диапазоне.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения: 1 - источник излучения накачки, 2 - спектрально-селективный отражающий элемент, 3 - коллиматор, 4 - торец волокна линейного резонатора, 5 - поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, 6 - волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, 7 - поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, 8 - волокно для вывода выходного излучения, 9 - торец волокна линейного резонатора, 10 - коллиматор, 11 - фокусирующий излучение оптический элемент, 12 - оптический элемент с керровской нелинейностью, 13 - зеркало резонатора, 14 - другая поверхность оптического элемента с керровской нелинейностью.

На фиг. 2 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором спектрально-селективным отражающим элементом 2 является призма в сочетании с отражающим зеркалом.

На фиг. 3 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором спектрально-селективным отражающим элементом 2 является призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.

На фиг. 4 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором между зеркалом резонатора и фокусирующим оптическим элементом расположен оптический элемент с керровской нелинейностью, поверхности которого имеют угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

На фиг. 5 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором зеркало резонатора является сферическим, между сферическим зеркалом резонатора и фокусирующим элементом в перетяжке пучка излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью, поверхности которого имеют угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

На фиг. 6 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором источником излучения накачки волоконного лазера является рамановский лазер, при этом резонатор рамановского лазера образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

На фиг. 7 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

Работает устройство следующим образом.

Излучение накачки, генерируемое источником 1 оптического излучения накачки, через волоконный модуль спектрального сведения 6 попадает в усиливающее волокно 5, переводя усиливающую среду лазера в активное состояние; генерация лазера осуществляется в линейном резонаторе, зеркалами которого являются: спектрально-селективный отражающий элемент 2 и отражающая поверхность 13, которая является плоской при ее расположении на одной стороне оптического элемента с керровской нелинейностью или сферической при ее расположении на сферическом зеркале. Поверхность (или поверхности) 14 оптического элемента с керровской нелинейностью имеет (или имеют) просветляющее покрытие. Торцы волокна 4 и 9 имеют наклонные поверхности (сколы), не отражающие излучение лазера назад в это волокно. Коллимирование выходящего из торцов волокна излучения производится коллиматорами 3 и 10. Фокусировка излучения на элемент с керровской нелинейной осуществляется фокусирующим элементом 11. В качестве коллиматоров и фокусирующего элемента могут быть использованы как линзы, так и объективы. Выходное излучение лазера 8 выводится из резонатора лазера через поляризационно-зависимый ответвитель 7. Использование ответвителя 7 с поляризационной дискриминацией в сочетании с поддерживающим поляризацию излучения усиливающим волокном позволяет осуществлять внутри резонатора лазера генерацию линейно-поляризованного излучения и устранить эффект нелинейной эволюции поляризации излучения, который мог бы проявляться при генерации лазером неполяризованного излучения. Поляризационная дискриминация излучения внутри резонатора лазера может быть усилена с помощью поляризатора 16 (фиг. 7). Устранение эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения (паразитного в данном случае) необходимо для реализации синхронизации мод излучения только на основе эффекта Керра, изменяющего значение показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля. Эффект Керра обеспечивает быстрый нелинейный отклик среды с характерным временем отклика порядка 10^-14-10^-15 с, что позволяет с использованием этого эффекта генерировать предельно короткие импульсы излучения, длительность которых может составлять всего один период колебаний электромагнитного поля. Керровская линза может ухудшать или улучшать настройку резонатора лазера за счет изменения фокусировки излучения. Например, если фокус пучка излучения на фиг. 1 находится за поверхностью 13 (расстояние между фокусирующим элементом 11 и отражающей поверхностью 13 меньше фокусного расстояния фокусирующего элемента 11), то керровская линза в оптическом элементе 12 позволит перенести фокус излучения на поверхность 13. В этом случае без керровской линзы потери излучения в резонаторе больше, так как фокус излучения расположен не на отражающей поверхности 13, а за ней. Соответственно, короткий высокоинтенсивный импульс лазерного излучения будет иметь меньшие оптические потери в таком резонаторе, чем длинный импульс или непрерывное излучение. Именно поэтому в таком изначально слегка расстроенном резонаторе лазера (фокус излучения лежит не на отражающей поверхности, а за ней) предпочтительным является режим синхронизации мод излучения за счет эффекта Керра, так как импульсное излучение лазера в этом режиме имеет меньшие оптические потери.

Такая синхронизация мод излучения может быть реализован как в случае расположения оптического элемента с керровской нелинейностью вблизи фокуса излучения (фиг. 1), так и в случае расположения оптического элемента с керровской нелинейностью в фокусе излучения (фиг. 5). В этом случае изначально слегка расстроенный резонатор лазера (поверхность излучения равных фаз не совпадает со сферической отражающей поверхностью 13) за счет эффекта Керра в оптическом элементе 12 улучшает настройку - поверхность излучения равных фаз совпадает со сферической отражающей поверхностью 13.

Для улучшения степени поляризации излучения лазера между коллиматором 10 и фокусирующим элементом 11 может располагаться поляризатор 16 (фиг. 7) с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

Расположенные между отражателями резонатора лазера 2 и 13 все отражающие поверхности элементов резонатора лазера не должны отражать излучение назад в резонатор, иначе отраженное от этих поверхностей излучение может инициировать паразитную генерацию, неспособную решить задачу заявляемого изобретения. Торцы волокна 4 и 9 не отражают излучение лазера назад в это волокно за счет того, что имеют или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). Отражающие поверхности поляризатора (фиг. 7) наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса и могут иметь просветляющее покрытие. Просветляющее покрытие могут иметь также коллиматоры 3 и 10, фокусирующий элемент 11, одна (фиг. 1-3) или две (фиг. 4, 5) поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью.

Синхронизация мод излучения на основе керровской линзы выгодно отличается от синхронизации мод на основе насыщающихся поглотителей тем, что керровская линза имеет неограниченный срок службы, работает в широком спектральном диапазоне, порог ее использования по плотности мощности излучения ограничивается только порогом разрушения самого материала.

Существует много оптических материалов, обладающих керровской нелинейностью и прозрачных в широком спектральном диапазоне - кварц, поликомпонентные стекла класса ТФ, сапфир, кальцит и другие. Керровская линза может формироваться в элементах из этих материалов в широком диапазоне спектра, что позволяет использовать такие элементы как для перестраиваемых по длине волны излучения лазеров, так и для лазеров с различными длинами волн излучения. Поскольку эффект Керра является нелинейным оптическим эффектом, вызывающем изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля, то наиболее сильно он проявляется при большой плотности мощности излучения, что в заявляемом изобретении обеспечивается расположением оптического элемента с керровской нелинейностью вблизи фокуса излучения или в фокусе излучения. Острая фокусировка лазерного излучения относительно короткофокусным элементом с фокусом 30-50 мм позволяет сформировать заметную керровскую линзу в оптических элементах, обладающих керровской нелинейностью, толщиной более 0,5 мм.

Заявляемое изобретение может быть реализовано с использованием широкого ряда усиливающих волокон - волокон, допированных редкоземельными ионами, такими как эрбий (Er³⁺), неодим (Nd³⁺), иттербий (Yb³⁺), тулий (Tm³⁺), гольмий (Но³⁺), висмут (Bi³⁺) и другими, а также рамановских волокон.

При использовании рамановского лазера в качестве источника излучения накачки волоконного лазера спектр полосы усиления волоконного лазера соответствует либо спектру первой стоксовой компоненты рамановского лазера (без использования дополнительных брэгговских решеток), либо спектру второй стоксовой компоненты рамановского лазера (при использовании двух брэгговских решеток, ″запирающих″ излучение первой стоксовой компоненты), либо спектру третьей стоксовой компоненты рамановского лазера (при использовании четырех брэгговских решеток, две из которых ″запирают″ излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие ″запирают″ излучение второй стоксовой компоненты рамановского лазера). Описанные схемы соответствуют однокаскадному, двухкаскадному и трехкаскадному рамановскому лазеру. Использование рамановского лазера в качестве источника излучения накачки волоконного лазера позволяет осуществлять генерацию заявляемого лазера в широком спектральном диапазоне, в том числе в тех участках спектра, в которых не обеспечивают усиление волокна, допированные редкоземельными ионами.

Число каскадов рамановского лазера, используемого в качестве источника излучения накачки волоконного лазера, может быть больше трех, однако КПД преобразования излучения рамановского лазера уменьшается с числом каскадов, поэтому обычно длина волны накачки рамановского лазера выбирается как можно ближе к требуемому спектральному диапазону генерации для того, чтобы минимизировать число каскадов рамановского лазера и обеспечить больший КПД лазерной системы.

Возможность использования в качестве усиливающей среды волокон, допированных редкоземельными ионами, а также рамановских волокон, в сочетании с возможностью плавной перестройки спектра излучения и керровским ″всеволновым″ элементом синхронизации мод излучения позволяет осуществлять генерацию коротких импульсов заявляемого лазера в ультра широком спектральном диапазоне, соответствующем пересечению областей прозрачности используемых в лазере оптических материалов.