ВОЛОКОННЫЙ ИСТОЧНИК ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ОДНОЧАСТОТНОГО ПОЛЯРИЗОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПАССИВНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к волоконным одночастным лазерам со сканированием частоты, которые могут найти применение как источники лазерного излучения для таких технологий, как оптическая когерентная томография, конфокальная микроскопия, частотная рефлектометрия, волоконные линии связи, спектроскопия высокого разрешения, волоконные сенсорные системы и другие.

Для многих приложений требуется лазерное излучение с перестраиваемой длиной волны генерации. Как правило, перестройка длины волны лазера осуществляется активным способом, т.е. с применением специальных перестроечных элементов, таких как фильтры, дифракционные элементы и т.д. Активный способ сканирования подразумевает, что управление осуществляется внешней электроникой. В этом случае все характеристики сканирования частоты определяются самим перестроечным элементом и параметрами управляющего электрического сигнала.

Через несколько лет после демонстрации первого лазера было показано, что при определенных условиях перестройка частоты в рубиновом лазере происходит без использования перестроечного элемента. Позднее было показано, что сканирование осуществляется с помощью самой активной среды лазера посредствам эффекта выжигания в ней пространственных дырок инверсной населенности уровней энергии. Таким образом, было продемонстрировано пассивное сканирование частоты (ПСЧ), т.е. без использования специальных перестроечных элементов. Но из-за небольшого спектрального диапазона сканирования и нестабильности режим ПСЧ не нашел применения. Из-за нестабильности эффект считался паразитным, поэтому активно разрабатывались методы по устранению такого режима работы лазера.

Также ПСЧ может быть реализовано и другим способом. Перестройка частоты полупроводникового лазера возможна с использованием обратной связи на основе самосопряженного зеркала. Такое поведение лазерной частоты связано с эффектом фоторефракции и дисперсионных свойств материала зеркала. Из-за нелинейной зависимости частоты от времени и нестабильности такой режим работы лазера считался нежелательным и с ним также боролись.

В целом можно сказать, что известные методы ПСЧ до недавнего времени из-за неудачной реализации давали недостаточные для применения характеристики сканирования (спектральный диапазон, стабильность, линейность и т.д.), поэтому они не вызывали интереса у исследователей.

Известно техническое решение, представленное в схеме низкодобротного волоконного лазера (A.V. Kir'yanov and N.N ll'ichev, "Self-induced laser line sweeping in an ytterbium fiber laser with nonresonant Fabry-Perot cavity," Laser Phys. Lett. 8(4), pp. 305-312 (2011)). Активной средой лазера было иттербиевое волокно с многоэлементной оболочкой (тип волокна GTWave). В техническом решении был продемонстрирован режим ПСЧ, который обладает достаточными для применений характеристиками. В лазере с низкодобротным резонатором образованным двумя прямыми сколами волокна удалось получить диапазон перестройки около 10 нм.

Недостатками известного технического решения является двунаправленная лазерная генерация, уменьшающая выходную мощность в одном канале; необходимость последующего коллимирования выходящих пучков; отсутствие возможности управления параметрами сканирования.

Известно техническое решение, представленное в линейной схеме волоконного лазера на основе иттербиевого волокна с двойной оболочкой с низкодобротным резонатором, образованным двумя прямыми сколами волокна (P. Peterka P. Navrátil, J. Maria, B. Dussardier, R. SIavik, P. Honzatko, V. Kubeček, "Self-induced laser line sweeping in double-clad Yb-doped fiber-ring lasers", Laser Physics Letters 9(6), pp. 445-450 (2012)). В этом лазере был получен диапазон сканирования 8 нм.

Недостатками известного технического решения является двунаправленная лазерная генерация, уменьшающая выходную мощность в одном канале; необходимость последующего коллимирования выходящих пучков; отсутствие возможности управления параметрами сканирования.

Известно техническое решение, представленное в схеме волоконного лазера с низкодобротным резонатором, в котором реализуется режим ПСЧ (I.A. Lobach, S.I. Kablukov, E.V. Podivilov, S.A. Babin, "Broad-range self-sweeping of a narrow-line self-pulsing Yb-doped fiber laser" // Optics Express, 19, No. 18, pp. 17632-17640 (2011)), выбранное в качестве прототипа. В данном техническом решении были устранены недостатки ранее представленных технических решений с использованием плотного кольцевого зеркала и волоконного разветвителя с прямым сколом волокна одного из портов. Высокий коэффициент отражения кольцевого зеркала позволяет получить однонаправленную генерацию. Регулирование контроллера поляризации в кольцевом зеркале позволило управлять параметрами сканирования. В частности, в этой схеме было получено около 16 нм перестройки длины волны. Было показано, что ПСЧ сопровождается самопульсациями во временной динамике интенсивности, которые свойственны для низкодобротных резонаторов. Конкуренция мод, влияющая на сканирование лазерной частоты, обеспечивается продольной неоднородностью инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента.

Недостатками известного технического решения являются нерегулярность самопульсаций и многочастотность выходного лазерного излучения.

Хаотичная динамика интенсивности лазерного излучения существенно усложняют как применение, так и исследование лазеров в режиме ПСЧ. Существуют работы, в которых было продемонстрировано, что ПСЧ может сопровождаться регулярными самопульсациями, хотя объяснений такому режиму работы лазера дано не было. Хаотичный характер самопульсаций во многом связан с тем, что продольная неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента зависит от поляризационных состояний двух взаимодействующих в активной среде лазера волн. Например, интерференция двух встречных волн с ортогональными друг к другу поляризационными состояниями дает продольно-однородное распределение интенсивности. В частности это используется для стабилизации лазерного излучения, состоящей из одной продольной моды и предотвращения частотной динамики. В случае же режима ПСЧ необходимо противоположное условие увеличения контраста модуляции неоднородности. Из-за слабого двулучепреломления волокон низкодобротного резонатора поляризационные состояния волн изменяются в процессе сканирования частоты, тем самым изменяя контраст модуляции. Это в свою очередь ведет к нестабильной временной динамики интенсивности лазерного излучения. Таким образом, для получения режима ПСЧ с регулярной временной динамикой интенсивности лазерного излучения необходимо получение наиболее контрастной картины модуляции инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента, которая слабо зависит от лазерной частоты. Поэтому для регуляризации временной динамики интенсивности лазерного излучения необходимо обеспечить согласование поляризационных состояний двух взаимодействующих волн.

Другим недостатком технического решения является многочастотность выходного лазерного излучения. Было показано, что лазерная генерация происходила на нескольких продольных модах, что подтверждается измерением радиочастотного спектра лазера. Многочастотная генерация ограничивает область применения известного технического решения. Например, одночастотное перестраиваемое лазерное излучение требуется для высокоразрешающей спектроскопии. Многочастотная генерация лазерного излучения связана с тем, что условие на генерацию новых частот, которое обеспечивается продольной неоднородностью инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента, выполняется одновременно для множества мод.

Перед авторами стояла задача разработать волоконный источник однонаправленного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты, позволяющий формировать одночастотное поляризованное лазерное излучение с регулярной временной динамикой интенсивности излучения и с возможностью управления спектральным диапазоном сканирования.

Поставленная задача решается тем, что, по первому варианту в волоконный источник однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты содержащий активное оптическое волокно, помещенное в низкодобротный резонатор, образованный плотным зеркалом с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом с коэффициентом отражения не более 50%, узел ввода накачивающего излучения, хотя бы один источник накачивающего излучения, выходной изолятор дополнительно включен внутрирезонаторный контроллер поляризации, выполненный управляющим режимом генерации источника, настраивающий параметры выходного лазерного излучения, состоящего из периодической последовательности оптических импульсов, первое пассивное оптическое волокно, расположенное между активным оптическим волокном и пропускающим выходным зеркалом, второе пассивное оптическое волокно, расположенное между плотным зеркалом и активным оптическим волокном, причем длины первого пассивного оптического волокна и второго пассивного оптического волокна подобраны таким образом, чтобы длина части низкодобротного резонатора, где интенсивности двух встречных оптических волн различаются более чем в два раза, была не менее одной шестой части от всей длины низкодобротного резонатора для получения одночастотного режима генерации, спектральный фильтр, расположенный между плотным зеркалом и пропускающим выходным зеркалом, выполненный задающим спектральную область сканирования частоты, причем активное оптическое волокно выполнено содержащим одномодовую сердцевину, легированную иттербием, либо эрбием, либо неодимом, либо тулием, либо гольмием, далее источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 900-990 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную иттербием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 900-990 нм, либо в диапазоне 1450-1490 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную эрбием источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 800-820 нм, либо в диапазоне 870-900 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную неодимом, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 720-810 нм, либо в диапазоне 1100-1300 нм, либо в диапазоне 1500-2000 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную тулием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 1100-1220 нм, либо в диапазоне 1900-2100 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную гольмием, причем узел ввода накачивающего излучения выполнен в виде объединителя накачивающего излучения, при активном оптическом волокне, выполненном содержащим многомодовую оболочку, узел ввода накачивающего излучения выполнен в виде спектрально-селективного разветвителя, причем пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 1%-99% при этом второй входной порт не имеет отражения, а второй выходной порт имеет отражение Френеля, пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 1%-70%, при этом второй входной порт не имеет отражения, а второй выходной порт соединен с объемным зеркалом с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющим волоконный вход, пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не более 50%., причем плотное зеркало выполнено в виде объемного зеркала с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющее волоконный вход, плотное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 15%-85% с соединенными между собой первым и вторым выходными портами, образующих волоконное кольцо и вставленным в волоконное кольцо контроллером поляризации, при этом второй входной порт не имеет отражения, плотное зеркало выполнено в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не менее 50%, причем спектральный фильтр выполнен в виде волоконного спектрально-селективного разветвителя, спектральный фильтр выполнен в виде объемного спектрального фильтра с волоконным входом и волоконным выходом, спектральный фильтр выполнен в виде волокна, содержащим одномодовую сердцевину, спектральный фильтр выполнен в виде длиннопериодной волоконной решетки.

По второму варианту в волоконный источник однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты содержащий активное оптическое волокно, помещенное в низкодобротный резонатор, образованный плотным зеркалом с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом с коэффициентом отражения не более 50%, узел ввода накачивающего излучения, хотя бы один источник накачивающего излучения, выходной изолятор дополнительно включен внутрирезонаторный контроллер поляризации, выполненный управляющим режимом генерации источника, настраивающий параметры выходного лазерного излучения, состоящего из периодической последовательности оптических импульсов, первое пассивное оптическое волокно, расположенное между активным оптическим волокном и пропускающим выходным зеркалом, второе пассивное оптическое волокно, расположенное между плотным зеркалом и активным оптическим волокном, причем длины первого пассивного оптического волокна и второго пассивного оптического волокна подобраны таким образом, чтобы длина части низкодобротного резонатора, где интенсивности двух встречных оптических волн различаются более чем в два раза, была не менее одной шестой части от всей длины низкодобротного резонатора для получения одночастотного режима генерации, спектральный фильтр, расположенный между плотным зеркалом и пропускающим выходным зеркалом, выполненный задающим спектральную область сканирования частоты, выходной контроллер поляризации и поляризационный селектор, расположенные после выходного изолятора, выполненные селектирующими линейную поляризацию выходного лазерного излучения, причем активное оптическое волокно выполнено содержащим одномодовую сердцевину, легированную иттербием, либо эрбием, либо неодимом, либо тулием, либо гольмием, далее источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 900-990 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную иттербием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 900-990 нм, либо в диапазоне 1450-1490 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную эрбием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 800-820 нм, либо в диапазоне 870-900 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную неодимом, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 720-810 нм, либо в диапазоне 1100-1300 нм, либо в диапазоне 1500-2000 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную тулием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 1100-1220 нм, либо в диапазоне 1900-2100 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную гольмием, причем узел ввода накачивающего излучения выполнен в виде объединителя накачивающего излучения, при активном оптическом волокне, выполненном содержащим многомодовую оболочку, узел ввода накачивающего излучения выполнен в виде спектрально-селективного разветвителя, причем пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 1%-99% при этом второй входной порт не имеет отражения, а второй выходной порт имеет отражение Френеля, пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 1%-70%, при этом второй входной порт не имеет отражения, а второй выходной порт соединен с объемным зеркалом с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющим волоконный вход, пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не более 50%, причем плотное зеркало выполнено в виде объемного зеркала с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющее волоконный вход, плотное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 15%-85% с соединенными между собой первым и вторым выходными портами, образующих волоконное кольцо и вставленным в волоконное кольцо контроллером поляризации, при этом второй входной порт не имеет отражения, плотное зеркало выполнено в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не менее 50%, причем спектральный фильтр выполнен в виде волоконного спектрально-селективного разветвителя, спектральный фильтр выполнен в виде объемного спектрального фильтра с волоконным входом и волоконным выходом, спектральный фильтр выполнен в виде волокна, содержащим одномодовую сердцевину, спектральный фильтр выполнен в виде длиннопериодной волоконной решетки, причем поляризационный селектор выполнен в виде поляризатора с волоконным входом и волоконным выходом, поляризационный селектор выполнен в виде поляризационного делителя с волоконным выходом и волоконным входом.

По третьему варианту в волоконный источник однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты содержащий активное оптическое волокно, помещенное в низкодобротный резонатор, образованный плотным зеркалом с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом с коэффициентом отражения не более 50%, узел ввода накачивающего излучения, хотя бы один источник накачивающего излучения, выходной изолятор дополнительно включено первое пассивное оптическое волокно, расположенное между активным оптическим волокном и пропускающим выходным зеркалом, второе пассивное оптическое волокно, расположенное между плотным зеркалом и активным оптическим волокном, причем длины первого пассивного оптического волокна и второго пассивного оптического волокна подобраны таким образом, чтобы длина части низкодобротного резонатора, где интенсивности двух встречных оптических волн различаются более чем в два раза, была не менее одной шестой части от всей длины низкодобротного резонатора для получения одночастотного режима генерации, спектральный фильтр, расположенный между плотным зеркалом и пропускающим выходным зеркалом, выполненный задающим спектральную область сканирования частоты, при этом все элементы низкодобротного резонатора выполнены из волокна с поддержкой линейной поляризации, причем активное оптическое волокно выполнено содержащим одномодовую сердцевину, легированную иттербием, либо эрбием, либо неодимом, либо тулием, либо гольмием, далее источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 900-990 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную иттербием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 900-990 нм, либо в диапазоне 1450-1490 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную эрбием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 800-820 нм либо в диапазоне 870-900 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную неодимом, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 720-810 нм, либо в диапазоне 1100-1300 нм, либо в диапазоне 1500-2000 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную тулием, источник накачивающего излучения выполнен в виде хотя бы одного лазера, генерирующего лазерное излучение на длинах волн в диапазоне 1100-1220 нм, либо в диапазоне 1900-2100 нм при активном оптическом волокне, выполненном содержащим одномодовую сердцевину легированную гольмием, причем узел ввода накачивающего излучения выполнен в виде объединителя накачивающего излучения, при активном оптическом волокне, выполненном содержащим многомодовую оболочку, узел ввода накачивающего излучения выполнен в виде спектрально-селективного разветвителя, причем пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 1%-99% при этом второй входной порт не имеет отражения, а второй выходной порт имеет отражение Френеля, пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 1%-70%, при этом второй входной порт не имеет отражения, а второй выходной порт соединен с объемным зеркалом с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющим волоконный вход, пропускающее выходное зеркало выполнено в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не более 50%, причем плотное зеркало выполнено в виде объемного зеркала с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющее волоконный вход, плотное зеркало выполнено в виде волоконного разветвителя с первым и вторым входными портами и первым и вторым выходными портами с коэффициентом ветвления в диапазоне 15%-85% с соединенными между собой первым и вторым выходными портами, образующих волоконное кольцо, при этом второй входной порт не имеет отражения, плотное зеркало выполнено в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не менее 50%, причем спектральный фильтр выполнен в виде волоконного спектрально-селективного разветвителя, спектральный фильтр выполнен в виде объемного спектрального фильтра с волоконным входом и волоконным выходом, спектральный фильтр выполнен в виде волокна, содержащим одномодовую сердцевину, спектральный фильтр выполнен в виде длиннопериодной волоконной решетки.

Техническим результатом заявляемого волоконного источника однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты заключается в улучшении амплитудной стабильности интенсивности выходного лазерного излучения, в регуляризации временной динамики интенсивности лазерного излучения, в улучшении поляризационных и спектральных качеств выходного лазерного излучения и в обеспечении возможности сохранения стабильной поляризации лазерного излучения на выходе, а так же в расширении области применения и ассортимента устройств данного назначения.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого по первому варианту волоконного источника однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты, где 1 - активное оптическое волокно, 2 - плотное зеркало, 3 - пропускающее выходное зеркало, 4 - узел ввода накачивающего излучения, 5 - источник накачивающего излучения, 6 - выходной изолятор, 7 - внутрирезонаторный контроллер поляризации, 8 - первое пассивное оптическое волокно, 9 - второе пассивное оптическое волокно, 10 - спектральный фильтр.

На фиг. 2 представлена схема заявляемого по второму варианту волоконного источника однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты с улучшенным качеством поляризации выходного излучения, где 1 - активное оптическое волокно, 2 - плотное зеркало, 3 - пропускающее выходное зеркало, 4 - узел ввода накачивающего излучения, 5 - источник накачивающего излучения, 6 - выходной изолятор, 7 - внутрирезонаторный контроллер поляризации, 8 - первое пассивное оптическое волокно, 9 - второе пассивное оптическое волокно, 10 - спектральный фильтр, 11 - выходной контроллер поляризации, 12 - поляризационный селектор.

На фиг. 3 представлена схема заявляемого по третьему варианту волоконного источника однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты выполненного из волокна с поддержкой линейной поляризации, где 1 - активное оптическое волокно, 2 - плотное зеркало, 3 - пропускающее выходное зеркало, 4 - узел ввода накачивающего излучения, 5 - источник накачивающего излучения, 6 - выходной изолятор, 8 - первое пассивное оптическое волокно, 9 - второе пассивное оптическое волокно, 10 - спектральный фильтр.

На фиг. 4 представлена схема реализации выходного пропускающего зеркала, где 13 - волоконный разветвитель, 14 - первый входной порт, 15 - второй входной порт, 16 - первый выходной порт, 17 - второй выходной порт.

На фиг. 5 представлена схема реализации выходного пропускающего зеркала, где 13 - волоконный разветвитель, 14 - первый входной порт, 15 - второй входной порт, 16 - первый выходной порт, 17 - второй выходной порт, 18 - объемное зеркало, имеющее волоконный вход.

На фиг. 6 представлена схема реализации плотного зеркала, где 13 - волоконный разветвитель, 14 - первый входной порт, 15 - второй входной порт, 16 - первый выходной порт, 17 - второй выходной порт, 19 - контроллер поляризации.

На фиг. 7 представлена схема реализации плотного зеркала, где 13 - волоконный разветвитель, 14 - первый входной порт, 15 - второй входной порт, 16 - первый выходной порт, 17 - второй выходной порт.

Заявляемый по первому варианту волоконный источник однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты работает следующим образом.

Источник содержит активное оптическое волокно 1, помещенное в низкодобротный резонатор, образованный плотным зеркалом 2 с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом 3 с коэффициентом отражения не более 50%, узел ввода накачивающего излучения 4, хотя бы один источник накачивающего излучения 5, выходной изолятор 6.

Лазерное излучение одного или нескольких источников накачивающего излучения 5 заводится через узел ввода накачивающего излучения 4 в активное оптическое волокно 1, причем активное оптическое волокно 1 может быть выполнено содержащим одномодовую сердцевину, легированное иттербием либо эрбием либо неодимом либо тулием или гольмием и создает инверсную населенность уровней энергии легирующего элемента, что приводит к усилению интенсивности поля оптического сигнала, распространяющегося по оптическому волокну в области длин волн полосы усиления легирующего элемента активного оптического волокна 1. Узел ввода накачивающего излучения 4 может быть выполнен в виде спектрально-селективного разветвителя. В случае если активное оптическое волокно выполнено содержащим многомодовую оболочку узел ввода накачивающего излучения 4 может быть выполнен в виде объединителя накачивающего излучения. Длина волны генерации источника накачивающего излучения 5 определяется используемым легирующим элементом активного оптического волокна 1, выполненного содержащим одномодовую сердцевину: в диапазоне 900-990 нм для иттербия, в диапазоне 900-990 нм либо в диапазоне 1450-1490 нм для эрбия, в диапазоне 800-820 нм либо в диапазоне 870-900 нм для неодима, в диапазоне 720-810 нм, либо в диапазоне 1100-1300 нм, либо в диапазоне 1500-2000 нм для тулия, в диапазоне 1100-1220 нм, либо в диапазоне 1900-2100 нм для гольмия.

Усиленный оптический сигнал распространяется в низкодобротном резонаторе, образованный плотным зеркалом 2 с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом 3 с коэффициентом отражения не более 50%. Пропускающее выходное зеркало 3 может быть выполнено в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 1% до 99% при этом второй входной порт 15 не имеет отражения, а второй выходной порт 17 имеет отражение Френеля; в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 1% до 70%, при этом второй входной порт 15 не имеет отражения, а второй выходной порт 17 соединен с объемным зеркалом 18 с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющим волоконный вход; в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не более 50%. Плотное зеркало 2 может быть выполнено в виде объемного зеркала с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющее волоконный вход; в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 15% до 85% с соединенными между собой первым и вторым выходными портами, образующих волоконное кольцо и вставленным в волоконное кольцо контроллером поляризации 19, при этом второй входной порт 15 не имеет отражения; в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не менее 50%.

Низкая добротность резонатора приводит к тому, что генерация лазерного излучения происходит в режиме самопульсаций. При превышении коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала в активном оптическом волокне 1 над коэффициентом полных потерь в низкодобротном резонаторе достигаются условия для генерации лазерного излучения. В этом случае, интенсивность поля одной из продольных мод начинает экспоненциально расти, что ведет к постепенному уменьшению инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента. Это приводит к тому, что коэффициент усиления интенсивности поля моды становиться меньше коэффициента ее потерь, и генерация лазерного излучения прекращается. Продольная неоднородность интенсивности поля одной продольной моды приводит к зависимости инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента от продольной координаты низкодобротного резонатора. В свою очередь продольная неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента приведет как к пространственной модуляции коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала, так и к модуляции показателя преломления в активном оптическом волокне. Другими словами, можно сказать, что продольная неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента приведет к записи в активном оптическом волокне 1 долгоживущих решеток коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала и показателя преломления. Зависимость коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала от продольной координаты (решетка коэффициента усиления) означает, что эффективный коэффициент усиления интенсивности поля для разных продольных мод будет разный. При этом эффективный коэффициент усиления интенсивности поля моды, которая записала решетку, будет минимальным. Это связано с тем, что в пучностях стоячей волны продольной моды, где интенсивность поля максимальна, значение инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента минимально. Зависимость показателя преломления в активном оптическом волокне от продольной координаты (решетка показателя преломления) означает, что для разных продольных мод будут различные коэффициенты потерь интенсивности их полей.

Амплитуда неоднородности инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента зависит от поляризационных состояний встречных оптических волн. По этой причине для получения наибольшего контраста модуляции неоднородности, который будет слабо зависеть от длины волны лазерного излучения необходимо согласовать поляризационные состояния двух встречных оптических волн. Для этого в источник дополнительно включен внутрирезонаторный контроллер поляризации 7, выполненный управляющим режимом генерации источника, настраивающий параметры выходного лазерного излучения, состоящего из периодической последовательности оптических импульсов.

Так как интенсивность накачивающего излучения постоянна во времени, то инверсия населенности постепенно будет нарастать. Рост будет происходить до тех пор, пока коэффициент усиления интенсивности поля для какой-либо моды не начнет снова превышать ее коэффициент потерь. Так как коэффициент усиления интенсивности поля моды, которая создала продольную неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента, минимален, то возможность повторной генерации этой моды будет подавлена. Это означает, что далее в генерации лазерного излучения появятся другие продольные моды с другими оптическими частотами, а во временной динамике интенсивности лазерного излучения появится новый оптический импульс. При этом скачок оптической частоты между импульсами будет кратен частоте межмодовых биений низкодобротного резонатора. Далее процесс изменения оптической частоты повторится для новой моды. Такое самоиндуцированное изменение частоты и называется пассивное сканирование частоты (ПСЧ).

В зависимости от параметров низкодобротного резонатора в генерацию могут выйти различное количество мод, что определяется разностью эффективного коэффициента усиления интенсивности поля и эффективного коэффициента потерь интенсивности поля для каждой моды. В свою очередь, эффективные коэффициенты усиления и потерь интенсивности поля мод определяются параметрами решеток усиления оптического сигнала и показателя преломления соответственно, которые записаны только в активном оптическом волокне 1. Таким образом, варьируя длину и положение активного оптического волокна 1 в низкодобротном резонаторе можно получать различные условия на конкуренцию новых продольных мод. При этом необходимо учесть, что основной вклад в селекцию продольных мод вносит та часть активной среды, в которой интенсивности встречных оптических волн различаются более чем в два раза, длина которой равна:

где R_Н - коэффициент отражения плотного зеркала 2, R_Т - коэффициент отражения пропускающего выходного зеркала 3, l - длина активного оптического волокна 1. Таким образом, часть активной среды не вносит вклада в селекцию мод. Из выражения, в частности следует, что при коэффициенте отражения пропускающего зеркала R_Т≥0.5 длина становится отрицательной. Это означает, что селекция оптической частоты полностью пропадает и одночастотное ПСЧ не может быть получено. Так как амплитуды оптических волн не изменяются в пассивном волокне, то полная длина волокна, в которой амплитуды встречных оптических волн различаются более чем в два раза, равна:

где l₀ - полная длина пассивного волокна от пропускающего выходного зеркала 3 до активного оптического волокна 1.

Одночастотная генерация означает, что после генерации одной продольной моды с номером p и продольным распределением интенсивности волны I_p(z)=cos²((k₀+πp/L)z) (k₀ - волновое число для моды с нулевым номером, L - полная длина низкодобротного резонатора) условие на генерацию следующего оптического импульса выполняются снова только для одной моды n с продольным распределением интенсивности волны I_n(z)=соs²((k₀+πn/L)z).

Продольное распределение эффективного коэффициента усиления (для решетки усиления) интенсивности поля или коэффициента потерь интенсивности поля (для решетки показателя преломления) для моды n в присутствии решеток от моды p пропорционально соs²(πmz/L), где m=p-n. Неоднородное усиление или потери интенсивности поля для разных мод приведет к тому, что у различных мод будут различные скорости экспоненциального роста их амплитуд во времени. Полная эффективная скорость экспоненциального роста амплитуды моды n пропорциональна интегралу по длине активного оптического волокна 1, где интенсивности встречных волн различаются более чем в два раза:

Из выражения видно, что различные моды имеют различные скорости экспоненциального роста. Для обеспечения того, чтобы в генерацию вышла только одна мода необходимо, чтобы скорость экспоненциального роста амплитуды моды n была более чем в два раза больше чем для остальных мод. Для удовлетворения этого условия необходимо, чтобы одна треть наибольшего периода осцилляций была не более двух межмодовых расстояний низкодобротного резонатора:

Таким образом, для получения одночастотной генерации лазерного изучения необходимо выполнение следующего условия

Полученное условие (5) означает, что полная длины волокна, где интенсивности встречных оптических волн различаются более чем в два раза, должна составлять не менее одной шестой от всей длины низкодобротного резонатора. Подбором длин пассивных оптических волокон с двух сторон от активного оптического волокна можно добиться, чтобы скорость экспоненциального роста для одной моды имела высокий контраст по отношению к другим. Таким образом, в источник дополнительно включены первое пассивное оптическое волокно 8, расположенное между активным оптическим волокном 1 и пропускающим выходным зеркалом 3, второе пассивное оптическое волокно 9, расположенное между плотным зеркалом 2 и активным оптическим волокном 1, причем длины первого пассивного оптического волокна 8 и второго пассивного оптического волокна 9 подобраны таким образом, чтобы длина части низкодобротного резонатора, где интенсивности двух встречных оптических волн различаются более чем в два раза, была не менее одной шестой части от всей длины низкодобротного резонатора для получения одночастотного режима генерации.

Пассивное сканирование частоты наблюдается для мощности накачивающего излучения в области выше порога генерации лазерного излучения. При существенном увеличении мощности накачивающего излучения и/или при достаточно большой длине низкодобротного резонатора начинается вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, которое приводит к появлению новых компонент в спектре лазерного излучения, которые в свою очередь ведут к нестабильности ПСЧ.

Область сканирования частоты определяется как спектральными характеристиками всех элементов в лазере (зеркал, фильтров и т.д.), так и контуром усиления активного оптического волокна 1, зависящий от мощности накачивающего излучения. Таким образом, в источник дополнительно включен спектральный фильтр 10, задающим спектральную область сканирования частоты, расположенный между плотным зеркалом 2 и пропускающим выходным зеркалом 3, который может быть выполнен в виде волоконного спектрально-селективного разветвителя или объемного спектрального фильтра с волоконным входом и волоконным выходом или волокна, содержащим одномодовую сердцевину или длиннопериодной волоконной решетки. ПСЧ происходит только для лазерного излучения с оптическими частотами, для которых коэффициент усиления интенсивности поля оптического сигнала больше, чем коэффициент потерь. ПСЧ в зависимости от спектральных контуров усиления активного оптического волокна и потерь низкодобротного резонатора и положения активного оптического волокна в низкодобротном резонаторе может проявляться как в увеличении оптической частоты во времени, так и в уменьшении.

Заявляемый по второму варианту волоконный источник однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты работает следующим образом.

Источник содержит активное оптическое волокно 1, помещенное в низкодобротный резонатор, образованный плотным зеркалом 2 с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом 3 с коэффициентом отражения не более 50%, узел ввода накачивающего излучения 4, хотя бы один источник накачивающего излучения 5, выходной изолятор 6.

Лазерное излучение одного или нескольких источников накачивающего излучения 5 заводится через узел ввода накачивающего излучения 4 в активное оптическое волокно 1, причем активное оптическое волокно 1 может быть выполнено содержащим одномодовую сердцевину, легированное иттербием либо эрбием либо неодимом либо тулием или гольмием и создает инверсную населенность уровней энергии легирующего элемента, что приводит к усилению интенсивности поля оптического сигнала, распространяющегося по оптическому волокну в области длин волн полосы усиления легирующего элемента активного оптического волокна 1. Узел ввода накачивающего излучения 4 может быть выполнен в виде спектрально-селективного разветвителя. В случае если активное оптическое волокно выполнено содержащим многомодовую оболочку узел ввода накачивающего излучения 4 может быть выполнен в виде объединителя накачивающего излучения. Длина волны генерации источника накачивающего излучения 5 определяется используемым легирующим элементом активного оптического волокна 1, выполненного содержащим одномодовую сердцевину: в диапазоне 900-990 нм для иттербия, в диапазоне 900-990 нм либо в диапазоне 1450-1490 нм для эрбия, в диапазоне 800-820 нм либо в диапазоне 870-900 нм для неодима, в диапазоне 720-810 нм, либо в диапазоне 1100-1300 нм, либо в диапазоне 1500-2000 нм для тулия, в диапазоне 1100-1220 нм, либо в диапазоне 1900-2100 нм для гольмия.

Усиленный оптический сигнал распространяется в низкодобротном резонаторе, образованный плотным зеркалом 2 с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом 3 с коэффициентом отражения не более 50%. Пропускающее выходное зеркало 3 может быть выполнено в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 1% до 99% при этом второй входной порт 15 не имеет отражения, а второй выходной порт 17 имеет отражение Френеля; в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 1% до 70%, при этом второй входной порт 15 не имеет отражения, а второй выходной порт 17 соединен с объемным зеркалом 18 с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющим волоконный вход; в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не более 50%. Плотное зеркало 2 может быть выполнено в виде объемного зеркала с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющее волоконный вход; в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 15% до 85% с соединенными между собой первым и вторым выходными портами, образующих волоконное кольцо и вставленным в волоконное кольцо контроллером поляризации 19, при этом второй входной порт 15 не имеет отражения; в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не менее 50%.

Низкая добротность резонатора приводит к тому, что генерация лазерного излучения происходит в режиме самопульсаций. При превышении коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала в активном оптическом волокне 1 над коэффициентом полных потерь в низкодобротном резонаторе достигаются условия для генерации лазерного излучения. В этом случае, в генерацию выходит одна продольная мода, которая частично снимает инверсную населенность в активной среде. В этом случае, интенсивность поля одной из продольных мод начинает экспоненциально расти, что ведет к постепенному уменьшению инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента. Это приводит к тому, что коэффициент усиления интенсивности поля моды становиться меньше коэффициента ее потерь, и генерация лазерного излучения прекращается. Продольная неоднородность интенсивности поля одной продольной моды приводит к зависимости инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента от продольной координаты низкодобротного резонатора. В свою очередь продольная неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента приведет как к пространственной модуляции коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала, так и к модуляции показателя преломления в активном оптическом волокне. Другими словами, можно сказать, что продольная неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента приведет к записи в активном оптическом волокне 1 долгоживущих решеток коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала и показателя преломления. Зависимость коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала от продольной координаты (решетка коэффициента усиления) означает, что эффективный коэффициент усиления интенсивности поля для разных продольных мод будет разный. При этом эффективный коэффициент усиления интенсивности поля моды, которая записала решетку, будет минимальным. Это связано с тем, что в пучностях стоячей волны продольной моды, где интенсивность поля максимальна, значение инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента минимально. Зависимость показателя преломления в активном оптическом волокне от продольной координаты (решетка показателя преломления) означает, что для разных продольных мод будут различные коэффициенты потерь интенсивности их полей.

Амплитуда неоднородности инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента зависит от поляризационных состояний встречных оптических волн. По этой причине для получения наибольшего контраста модуляции неоднородности, который будет слабо зависеть от длины волны лазерного излучения необходимо согласовать поляризационные состояния двух встречных оптических волн. Для этого в источник дополнительно включен внутрирезонаторный контроллер поляризации 7, выполненный управляющим режимом генерации источника, настраивающий параметры выходного лазерного излучения, состоящего из периодической последовательности оптических импульсов.

Так как интенсивность накачивающего излучения постоянна во времени, то инверсия населенности постепенно будет нарастать. Рост будет происходить до тех пор, пока коэффициент усиления интенсивности поля для какой-либо моды не начнет снова превышать ее коэффициент потерь. Так как коэффициент усиления интенсивности поля моды, которая создала продольную неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента, минимален, то возможность повторной генерации этой моды будет подавлена. Это означает, что далее в генерации лазерного излучения появятся другие продольные моды с другими оптическими частотами, а во временной динамике интенсивности лазерного излучения появится новый оптический импульс. При этом скачок оптической частоты между импульсами будет кратен частоте межмодовых биений низкодобротного резонатора. Далее процесс изменения оптической частоты повторится для новой моды. Такое самоиндуцированное изменение частоты и называется пассивное сканирование частоты (ПСЧ).

В зависимости от параметров низкодобротного резонатора в генерацию могут выйти различное количество мод, что определяется разностью эффективного коэффициента усиления интенсивности поля и эффективного коэффициента потерь интенсивности поля для каждой моды. В свою очередь, эффективные коэффициенты усиления и потерь интенсивности поля мод определяются параметрами решеток усиления оптического сигнала и показателя преломления соответственно, которые записаны только в активном оптическом волокне 1. Таким образом, варьируя длину и положение активного оптического волокна 1 в низкодобротном резонаторе можно получать различные условия на конкуренцию новых продольных мод.

В соответствии с выражениями (1)-(5), в источник также дополнительно включены первое пассивное оптическое волокно 8, расположенное между активным оптическим волокном 1 и пропускающим выходным зеркалом 3, второе пассивное оптическое волокно 9, расположенное между плотным зеркалом 2 и активным оптическим волокном 1, причем длины первого пассивного оптического волокна 8 и второго пассивного оптического волокна 9 подобраны таким образом, чтобы длина части низкодобротного резонатора, где интенсивности двух встречных оптических волн различаются более чем в два раза, была не менее одной шестой части от всей длины низкодобротного резонатора для получения одночастотного режима генерации.

Пассивное сканирование частоты наблюдается для мощности накачивающего излучения в области выше порога генерации лазерного излучения. При существенном увеличении мощности накачивающего излучения и/или при достаточно большой длине низкодобротного резонатора начинается вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, которое приводит к появлению новых компонент в спектре лазерного излучения, которые в свою очередь ведут к нестабильности ПСЧ.

Область сканирования частоты определяется как спектральными характеристиками всех элементов в лазере (зеркал, фильтров и т.д.), так и контуром усиления активного оптического волокна 1, зависящий от мощности накачивающего излучения. Таким образом, в источник дополнительно включен спектральный фильтр 10, задающим спектральную область сканирования частоты, расположенный между плотным зеркалом 2 и пропускающим выходным зеркалом 3, который может быть выполнен в виде волоконного спектрально-селективного разветвителя или объемного спектрального фильтра с волоконным входом и волоконным выходом или волокна, содержащим одномодовую сердцевину или длиннопериодной волоконной решетки. ПСЧ происходит только для лазерного излучения с оптическими частотами, для которых коэффициент усиления интенсивности поля оптического сигнала больше, чем коэффициент потерь. ПСЧ в зависимости от спектральных контуров усиления активного оптического волокна и потерь низкодобротного резонатора и положения активного оптического волокна в низкодобротном резонаторе может проявляться как в увеличении оптической частоты во времени, так и в уменьшении.

Из-за двулучепреломления волоконный световод поддерживает две поляризационные моды с различными эффективными показателями преломления. Это означает, что поляризационные компоненты выходного лазерного излучения будут иметь различные оптические частоты. Это проявляется в одновременном сканировании двух лазерных линий, с разностью оптических частот, определяемых полным двулучепреломлением низкодобротного резонатора. Таким образом, для селекции одной поляризационной компоненты лазерного излучения в источник дополнительно включены выходной контроллер поляризации 11 и поляризационный селектор 12 за выходным изолятором 6. Регулирование выходного контроллера поляризации 11 позволяет выбирать одну из двух поляризационных компонент выходного лазерного излучения. Поляризационный селектор может быть выполнен в виде поляризатора с волоконным входом и волоконным выходом или поляризационного делителя с волоконным выходом и волоконным входом.

Заявляемый по третьему варианту волоконный источник однонаправленного одночастотного поляризованного лазерного излучения с пассивным сканированием частоты работает следующим образом.

Источник содержит активное оптическое волокно 1, помещенное в низкодобротный резонатор, образованный плотным зеркалом 2 с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом 3 с коэффициентом отражения не более 50%, узел ввода накачивающего излучения 4, хотя бы один источник накачивающего излучения 5, выходной изолятор 6.

Лазерное излучение одного или нескольких источников накачивающего излучения 5 заводится через узел ввода накачивающего излучения 4 в активное оптическое волокно 1, причем активное оптическое волокно 1 может быть выполнено содержащим одномодовую сердцевину, легированное иттербием либо эрбием либо неодимом либо тулием или гольмием и создает инверсную населенность уровней энергии легирующего элемента, что приводит к усилению интенсивности поля оптического сигнала, распространяющегося по оптическому волокну в области длин волн полосы усиления легирующего элемента активного оптического волокна 1. Узел ввода накачивающего излучения 4 может быть выполнен в виде спектрально-селективного разветвителя. В случае если активное оптическое волокно выполнено содержащим многомодовую оболочку узел ввода накачивающего излучения 4 может быть выполнен в виде объединителя накачивающего излучения. Длина волны генерации источника накачивающего излучения 5 определяется используемым легирующим элементом активного оптического волокна 1, выполненного содержащим одномодовую сердцевину: в диапазоне 900-990 нм для иттербия, в диапазоне 900-990 нм либо в диапазоне 1450-1490 нм для эрбия, в диапазоне 800-820 нм либо в диапазоне 870-900 нм для неодима, в диапазоне 720-810 нм, либо в диапазоне 1100-1300 нм, либо в диапазоне 1500-2000 нм для тулия, в диапазоне 1100-1220 нм, либо в диапазоне 1900-2100 нм для гольмия.

Усиленный оптический сигнал распространяется в низкодобротном резонаторе, образованный плотным зеркалом 2 с коэффициентом отражения более 50% и пропускающим выходным зеркалом 3 с коэффициентом отражения не более 50%. Пропускающее выходное зеркало 3 может быть выполнено в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 1% до 99% при этом второй входной порт 15 не имеет отражения, а второй выходной порт 17 имеет отражение Френеля; в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 1% до 70%, при этом второй входной порт 15 не имеет отражения, а второй выходной порт 17 соединен с объемным зеркалом 18 с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющим волоконный вход; в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не более 50%. Плотное зеркало 2 может быть выполнено в виде объемного зеркала с коэффициентом отражения не менее 50% и имеющее волоконный вход; в виде волоконного разветвителя 13 с первым и вторым входными портами 14, 15 и первым и вторым выходными портами 16, 17 с коэффициентом ветвления от 15% до 85% с соединенными между собой первым и вторым выходными портами, образующих волоконное кольцо, при этом второй входной порт 15 не имеет отражения; в виде волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения в максимуме не менее 50%.

Низкая добротность резонатора приводит к тому, что генерация лазерного излучения происходит в режиме самопульсаций. При превышении коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала в активном оптическом волокне 1 над коэффициентом полных потерь в низкодобротном резонаторе достигаются условия для генерации лазерного излучения. В этом случае, в генерацию выходит одна продольная мода, которая частично снимает инверсную населенность в активной среде. В этом случае, интенсивность поля одной из продольных мод начинает экспоненциально расти, что ведет к постепенному уменьшению инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента. Это приводит к тому, что коэффициент усиления интенсивности поля моды становиться меньше коэффициента ее потерь, и генерация лазерного излучения прекращается. Продольная неоднородность интенсивности поля одной продольной моды приводит к зависимости инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента от продольной координаты низкодобротного резонатора. В свою очередь продольная неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента приведет как к пространственной модуляции коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала, так и к модуляции показателя преломления в активном оптическом волокне. Другими словами, можно сказать, что продольная неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента приведет к записи в активном оптическом волокне 1 долгоживущих решеток коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала и показателя преломления. Зависимость коэффициента усиления интенсивности поля оптического сигнала от продольной координаты (решетка коэффициента усиления) означает, что эффективный коэффициент усиления интенсивности поля для разных продольных мод будет разный. При этом эффективный коэффициент усиления интенсивности поля моды, которая записала решетку, будет минимальным. Это связано с тем, что в пучностях стоячей волны продольной моды, где интенсивность поля максимальна, значение инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента минимально. Зависимость показателя преломления в активном оптическом волокне от продольной координаты (решетка показателя преломления) означает, что для разных продольных мод будут различные коэффициенты потерь интенсивности их полей.

Амплитуда неоднородности инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента зависит от поляризационных состояний встречных волн. По этой причине для получения наибольшего контраста модуляции неоднородности, который будет слабо зависеть от длины волны необходимо согласовать поляризационные состояния двух встречных волн. Таким образом, для согласования поляризационных состояний двух встречных оптических волн все элементы низкодобротного резонатора выполнены из волокна с поддержкой линейной поляризации. В этом случае согласование происходит автоматически без использования внутрирезонаторного контроллера поляризации. При этом работа устройства обладает большей стабильностью к внешним возмущениям.

Так как интенсивность накачивающего излучения постоянна во времени, то инверсия населенности постепенно будет нарастать. Рост будет происходить до тех пор, пока коэффициент усиления интенсивности поля для какой-либо моды не начнет снова превышать ее коэффициент потерь. Так как коэффициент усиления интенсивности поля моды, которая создала продольную неоднородность инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента, минимален, то возможность повторной генерации этой моды будет подавлена. Это означает, что далее в генерации лазерного излучения появятся другие продольные моды с другими оптическими частотами, а во временной динамике интенсивности лазерного излучения появится новый оптический импульс. При этом скачок оптической частоты между импульсами будет кратен частоте межмодовых биений низкодобротного резонатора. Далее процесс изменения оптической частоты повторится для новой моды. Такое самоиндуцированное изменение частоты и называется пассивное сканирование частоты (ПСЧ).

В зависимости от параметров низкодобротного резонатора в генерацию могут выйти различное количество мод, что определяется разностью эффективного коэффициента усиления интенсивности поля и эффективного коэффициента потерь интенсивности поля для каждой моды. В свою очередь, эффективные коэффициенты усиления и потерь интенсивности поля мод определяются параметрами решеток усиления оптического сигнала и показателя преломления соответственно, которые записаны только в активном оптическом волокне 1. Таким образом, варьируя длину и положение активного оптического волокна 1 в низкодобротном резонаторе можно получать различные условия на конкуренцию новых продольных мод.

В соответствии с выражениями (1)-(5), в источник также дополнительно включены первое пассивное оптическое волокно 8, расположенное между активным оптическим волокном 1 и пропускающим выходным зеркалом 3, второе пассивное оптическое волокно 9, расположенное между плотным зеркалом 2 и активным оптическим волокном 1, причем длины первого пассивного оптического волокна 8 и второго пассивного оптического волокна 9 подобраны таким образом, чтобы длина части низкодобротного резонатора, где интенсивности двух встречных оптических волн различаются более чем в два раза, была не менее одной шестой части от всей длины низкодобротного резонатора для получения одночастотного режима генерации.

Пассивное сканирование частоты наблюдается для мощности накачивающего излучения в области выше порога генерации лазерного излучения. При существенном увеличении мощности накачивающего излучения и/или при достаточно большой длине низкодобротного резонатора начинается вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, которое приводит к появлению новых компонент в спектре лазерного излучения, которые в свою очередь ведут к нестабильности ПСЧ.

Область сканирования частоты определяется как спектральными характеристиками всех элементов в лазере (зеркал, фильтров и т.д.), так и контуром усиления активного оптического волокна 1, зависящий от мощности накачивающего излучения. Таким образом, в источник дополнительно включен спектральный фильтр 10, задающим спектральную область сканирования частоты, расположенный между плотным зеркалом 2 и пропускающим выходным зеркалом 3, который может быть выполнен в виде волоконного спектрально-селективного разветвителя или объемного спектрального фильтра с волоконным входом и волоконным выходом или волокна, содержащим одномодовую сердцевину или длиннопериодной волоконной решетки. ПСЧ происходит только для лазерного излучения с оптическими частотами, для которых коэффициент усиления интенсивности поля оптического сигнала больше, чем коэффициент потерь. ПСЧ в зависимости от спектральных контуров усиления активного оптического волокна и потерь низкодобротного резонатора и положения активного оптического волокна в низкодобротном резонаторе может проявляться как в увеличении оптической частоты во времени, так и в уменьшении.

Технический результат в регуляризации временной динамики интенсивности лазерного излучения достигается тем, что низкодобротный резонатор выполнен таким образом, чтобы поляризационные состояния двух встречных волн одной продольной моды были согласованы. Это позволяет получить наибольший контраст модуляции пространственной неоднородности инверсной населенности уровней энергии легирующего элемента после генерации моды, что приводит к повторяемости процесса генерации последующих импульсов, и соответственно к регуляризации временной динамики интенсивности лазерного излучения.

Задача получения одночастотной генерации решается тем, что определенным подбором положения активного оптического волокна в низкодобротном резонаторе и коэффициентов отражения зеркал низкодобротного резонатора условие для генерации новых оптических частот выполняются только для одной продольной моды со смещенной частотой. В результате генерация нового импульса сопровождается появлением одной моды, что обеспечивает одночастотность лазерного изучения.

В данном техническом решении предлагаются новые схемы волоконных источников с ПСЧ, которые обеспечивают получение регулярной временной динамики одночастотного лазерного излучения, а именно: повторяющихся регулярных последовательностей импульсов с линейно изменяющейся частотой, при этом лазерное излучение каждого импульса является строго одночастотным (т.е. состоит из одной продольной моды низкодобротного резонатора). При этом последовательность может состоять как из одного, так и из нескольких импульсов. Оптическая частота выходного лазерного излучения изменяется от импульса к импульсу на одинаковую величину, кратную межмодовой частоте биений низкодобротного резонатора и может быть как положительным, так и отрицательным. При прохождении оптической частоты всего допустимого спектрального диапазона процесс сканирования частоты начинается сначала. Кроме того, выходное лазерное излучение линейно поляризовано, а направление поляризации импульсов внутри последовательности соответствует одной из двух ортогональных осей. По этой причине импульсы можно легко пространственно разделить с помощью поляризационного фильтра и получить на выходе лазерное излучение, состоящее из периодических одночастотных импульсов с одним поляризационным состоянием.