ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР СО СВЕРХКОРОТКОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ИМПУЛЬСА

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к волоконным лазерам со сверхкороткой длительностью импульса.

Для компоновки волоконного импульсного лазера, длина волокна которого часто составляет величину от нескольких метров до сотен метров, используется намотка волокна на различные фиксирующие устройства, такие, например, как в патенте США №6144792. Однако каждый изгиб волокна создает анизотропию для распространения поляризованного светового импульса в волокне, так как показатели преломления волокна для распространения излучения с поляризацией вдоль плоскости изгиба и перпендикулярно этой плоскости отличаются на величину Δn=a·(r_clad/r)², r_clad - радиус волокна, r - радиус изгиба, а - константа, зависящая от материала волокна и длины волны излучения. Величина Δn дана для полной окружности с радиусом r. При распространении поляризованного излучения в таком изогнутом волокне компонента поля E_slow светового импульса вдоль оси, перпендикулярной плоскости изгиба (медленной оси), отстает от компоненты поля E_fast светового импульса вдоль плоскости изгиба (быстрой оси). В волоконных лазерах ультракоротких импульсов оптический дихроизм, возникающий на изгибах волокна, приводит к расплыванию поляризационных компонент импульса вдоль быстрой и медленной осей оптического волокна. Такой эффект искажает состояние оптической поляризации, изменяет временной профиль импульса, а также затрудняет реализацию синхронизации мод на эффекте нелинейного вращения эллипса поляризации.

Известен волоконный лазер, патент США №7876495, в котором для компенсации дихроизма, вызванного изгибом оптического волокна, применяется специальное волокно увеличенного диаметра со сложной структурой.

Задачей изобретения является создание волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса, реализующего синхронизацию мод на эффекте нелинейного вращения эллиптической поляризации в световом волокне.

Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса, содержащий лазер накачки, последовательно установленные, образующие кольцевой резонатор и закрепленные на держателе волокна модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллер поляризации, волоконный поляризатор, контроллер поляризации, изолятор, волокно закреплено в держателе оптического волокна так, что при распространении импульса излучения по волокну на каждом витке волокна сдвиг фазы поляризационных компонент поля оптического импульса относительно двух взаимно перпендикулярных осей скомпенсирован. При такой компоновке волокна компенсирован наведенный дихроизм, возникающий вследствие изгибов волокна при намотке. Если на каждом витке фазовый сдвиг для поляризационных компонент оптического импульса вдоль двух взаимно перпендикулярных осей одинаков, создаются условия распространения лазерного импульса без накопления фазового сдвига, как если бы волокно было вытянуто в линию. Это позволяет реализовать синхронизацию мод в волоконном лазере на эффекте нелинейного вращения эллипса поляризации, используя длинный отрезок волокна в компактном устройстве. В настоящее время в коммерческих вариантах волоконных лазеров со сверхкороткой длительностью импульса для синхронизации мод используют пассивный насыщающийся поглотитель и оптическое волокно с поддержкой поляризации. Поскольку в оптическом волокне с поддержкой поляризации нелинейное вращение поляризации отсутствует, получить стабильную импульсную генерацию возможно только с использованием насыщающихся поглотителей, распределенных на локальном участке волокна либо твердотельных, например насыщающихся полупроводниковых зеркал SESAM-ов. Использование в волоконных лазерах эффекта нелинейного вращения эллипса поляризации для импульсного режима генерации позволяет максимально использовать преимущество волоконной схемы резонатора, сократить длительность импульса за счет быстрого времени срабатывания такого нелинейного переключателя, сделать схему лазера более простой и надежной.

Держатель оптического волокна имеет две взаимно перпендикулярные оси, относительно каждой из которых волокно изогнуто с равным радиусом изгиба. Одним из вариантов исполнения волоконного лазера является крепление волокна на держателе с двумя взаимно перпендикулярными осями, вокруг которых волокно изогнуто с одинаковыми радиусами. В таком случае положительный фазовый сдвиг, возникающий между двух взаимно перпендикулярных поляризационных компонент излучения в каждом следующем изгибе намотки, компенсируется аналогичным отрицательным фазовым сдвигом для этих компонент в предыдущем изгибе намотки, что позволяет получить способ намотки волокна без накопления фазового сдвига для поляризационных компонент импульсного излучения, распространяющегося по оптическому волокну.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание компактного надежного волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса.

На фиг.1 показана схема волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса.

На фиг.2 показана схема намотки волокна на держатель волокна в волоконном лазере со сверхкороткой длительностью импульса.

На фиг.1 лазер накачки 1 соединен с модулем ввода излучения лазера накачки в волокно 2, модуль вода излучения лазера накачки в волокно 2, легированное редкоземельным элементом волокно 3, разветвитель 4, контроллер поляризации 5, волоконный поляризатор 6, контроллер поляризации 5, изолятор 7 образуют кольцевой резонатор волоконного лазера. Волоконные элементы лазера закреплены на держателе волокна согласно схеме на фиг.2. Ось Х и ось Z взаимно перпендикулярны. Каждый виток волокна на катушке, представленной на фиг.2, содержит 4 прямых участка 8, изображенных сплошной линией, два полукруглых участка 9, изображенных пунктирной линией, и два полукруглых участка 10, изображенных штрихпунктирной линией. Полукруглые участки 9 волокна представляют собой половину дуги окружности радиуса R в плоскости, перпендикулярной оси X. Участки 10 волокна представляют собой половину дуги окружности радиуса R в плоскости, перпендикулярной оси Z.

При включении лазера накачки 1 излучение через модуль ввода 2 попадает в кольцевой резонатор. При общей длине оптического волокна в несколько метров и средней мощности накачки чуть выше порога свободной генерации лазер переходит в режим импульсной генерации при соответствующей подстройке контроллеров поляризации.

При прохождении импульсом двух участков волокна 9 за счет изгиба в плоскости, перпендикулярной оси X, возникает фазовый сдвиг Δφ₁=(2π/λ)(n_x-n_z)2πr и поляризационные компоненты поля светового импульса вдоль оси Х отстают от поляризационных компонент поля вдоль оси Z. На двух участках волокна 10 за счет изгиба волокна в плоскости, перпендикулярной оси Z, возникающий фазовый сдвиг компенсирует предыдущий: Δφ₂=Δφ₁=(2π/λ)(n_z-n_x)2πr и поляризационные компоненты поля светового импульса вдоль оси Z будут отставать от поляризационных компонент поля светового импульса вдоль оси X. Таким образом, на каждом витке волокна, закрепленного на держателе в соответствии со схемой, представленной на фиг.2, фазового сдвига на одном витке намотки не происходит. Это позволяет использовать эффект нелинейного вращения эллипса поляризации для синхронизации мод волоконного лазера.