Результат интеллектуальной деятельности: Многофункциональный волоконный лазерный источник шумоподобных импульсов

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано при конструировании задающих волоконных лазерных импульсных источников, волоконных усилителей, а также генераторов суперконтинуума и второй гармоники.

В настоящее время волоконные лазеры имеют большое количество преимуществ перед объемными твердотельными лазерами и лазерными диодами. В частности, волоконно-оптический лазер создает интенсивные гауссовоподобные пучки без необходимости использования специальных электрических установок или систем охлаждения; это связано с тем, что длина и уменьшенный поперечный размер оптического волокна способствуют тепловому рассеянию. Выдающимся направлением исследований в области волоконных лазеров являются волоконные лазеры с синхронизацией мод, которые могут генерировать интенсивные короткие и ультракороткие импульсы. Их применение включает газовую спектроскопию, датчики давления, ориентированные на мониторинг гражданского строительства, военных и промышленных сооружений, которые постоянно подверженные стрессу, датчики акустического давления, генерация биомедицинских изображений методом оптической когерентной томографии и генерация суперконтинуума. Кроме того, волоконный лазер с синхронизацией мод может генерировать интенсивные и высокоэнергетические импульсы, которые можно использовать для микрообработки материалов.

Вследствие этого, актуальной и важной задачей для практических применений являются задачи конструирования волоконных резонаторов и поиска новых импульсных режимов генерации.

Наиболее близким техническим решением является универсальный волоконный лазер EFOA-SH-UB, изготовленный компанией ООО «АВЕСТА-ПРОЕКТ» Устройство объединяет в себе несколько приборов: фемтосекундный волоконный лазер с синхронизацией мод на основе волокна, легированного эрбием EFOA (длина волны излучения 1560 нм), генератор суперконтинуума (1100-2000 нм) и генератор второй гармоники (780 нм). При этом работа возможна как одновременно со всеми длинами волн, так и по отдельности. Благодаря своей компактности, надежности, легкости управления и возможности одновременного использования различных длин волн система является поистине универсальной для исследовательских лабораторий

(http://avesta.ru/wpcontent/uploads/pdf/datasheets/rus/EFOA-SH-UB_datasheet_rus.pdf).

Несмотря на хорошую универсальность, у прибора существует ряд недостатков: ограниченность ресурса одномодовой накачки, ограниченная выходная мощность фемтосекундного волоконного лазера, невозможность регулирования длительности выходных импульсов без изменения резонатора, сложность усиления импульсов (для повышения эффективности требуются дополнительные элементы), использование дорогостоящих специальных (фотонно-кристаллических, микроструктурированных) волокон,которые еще больше усложняют конструкцию лазерной системы.

Технический результат заключается в увеличении ресурса накачки, повышении выходной мощности волоконного лазера, для усиления импульсов не требуется дополнительных элементов, увеличение выходной мощности после усилителя, получение стабильного самозапуска, а также получение плоского и широкого спектра суперконтинуума без использования специальных волокон.

Сущность изобретения заключается в том, что многофункциональный волоконный лазерный источник шумоподобных импульсов включает в себя задающий волоконный эрбиевый лазерный источник шумоподобных импульсов, волоконный усилитель на встречной накачке и кусок нелинейного оптического волокна на кварцевой основе. Используют длинный волоконный кольцевой резонатора 190 м и многомодовую накачку. При этом возможна регулировка оптических характеристик задающего волоконного эрбиевого лазерного источника без изменения резонатора, а также подстройка выходного спектра суперконтинуума.

На фиг. 1 представлена схема многофункционального волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов; на фиг. 2 (а, б, в, г) приведены оптические характеристики задающего волоконного эрбиевого лазерного источника шумоподобных импульсов; на фиг. 3 (а, б) – приведены оптические и энергетические характеристики шумоподобного импульса на выходе волоконного усилителя на встречной накачке; на фиг.4 - спектры суперконтинуума.

Многофункциональный волоконный лазерный источник шумоподобных импульсов состоит из эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов 1, волоконного усилителя на встречной накачке 2 и куска нелинейного волокна на кварцевой основе 3. Конструкция эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов включает в себя полупроводниковый (п/п) диод накачки 4 и однонаправленный кольцевой резонатор длиной 190 м. В качестве источника накачки используется многомодовый п/п диод 4 с длиной волны 976 нм и мощностью 4 Вт. Резонатор эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов состоит из сумматора накачки с сигнальной жилой 5, солегированного ионами Yb^3+/Er³⁺ активного волокна (EYDF) 6, оптического изолятора (ISO) 7, первого контроллера поляризации (PC 1) 8, делителя поляризации (PBS) 9, второго контроллера поляризации (PC 2) 10, бухты одномодового оптического волокна (SM) длиной 180 m 11. Излучение от п/п диода накачки 4 вводится в резонатор волоконного лазера при помощи сумматора накачки 5 с сигнальной жилой (2+1)х1. Однонаправленное распространение сигнала обеспечивает оптический изолятор 7. Пассивная синхронизация мод достигается за счет совместного действия нелинейного вращения плоскости поляризации и дискриминации поляризационных состояний внутрирезонаторными контроллерами поляризации 8 и 10. После достижения импульсной генерации, сигнал подается через разветвитель (1х3) 12 в волоконный усилитель на встречной накачке 2. Волоконный усилитель на встречной накачке 2 состоит из следующих элементов: многомодового п/п диода накачки 16 с длиной волны 976 нм и мощностью 30 Вт, сумматора накачки с сигнальной жилой (2+1)х1 15, солегированного ионами Yb^3+/Er³⁺ активного волокна (EYDF) 14 и оптического изолятора (ISO) 13, который предотвращает попадание излучения в резонатор эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов. Для предотвращения повреждения волоконных компонентов, как волоконного усилителя 2, так и эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов 1 дополнительно ограничивают выходную мощность накачки. После усиления шумоподобный импульс вводится через разветвитель 17 в нелинейное волокно на кварцевой основе 3. В качестве нелинейного волокна на кварцевой основе использовались оптические волокна легированные оксидом германия GeO₂ 18 с длиной волны нулевой дисперсии 1480 нм (Ge1) и 1565 нм (Ge3).

Устройство работает следующим образом. В резонатор волоконного лазера 1 вводится излучение от п/п диода накачки 4 при помощи сумматора накачки 5 с сигнальной жилой (2+1)х1. Пассивная синхронизация мод осуществляется на основе нелинейного вращения плоскости поляризации, которое обеспечивается парой контроллеров поляризации 8,10 и делителя поляризации (PBS) 9. При точной настройке мощности накачки и положения контроллеров поляризации 8,10 обеспечивается стабильный самозапуск режима генерации шумоподобных импульсов. Далее шумоподобный импульс вводится в волоконный усилитель на встречной накачке 2, где происходит его усиление, а затем спектральное преобразование в нелинейном волокне на кварцевой основе 3.

При настройке контроллеров поляризации и мощности накачки (фиг. 2 а, в) может регулироваться ширина спектра (на уровне 3 дБ от 5 до 20 нм), длительность (фиг. 2 б, г) когерентного пика (от 300 фс до 1,1 пс) при постоянной частоте повторения импульсов (f=1,1 МГц), центральная длина волны 1,565±20нм. Средняя выходная мощность более 20 мВт, что дает энергию в импульсе 18 нДж. После усиления ширина спектра больше 40 нм (фиг. 3, а), по оценке длительность когерентного пика составляет 120 фс при неизменной частоте следования импульсов. Средняя выходная мощность составляет более 300 мВт (фиг.3, б) и ограничивается мощностью накачки, которую могут выдержать оптические компоненты системы без повреждения. Оценка энергии в импульсе дает значение более 270 нДж. При использовании нелинейного волокна на кварцевой основе (нелинейность γ ≈ 10 Вт^-1км^-1) импульс претерпевает сверхуширение и генерация суперконтинуума (фиг.4) происходит в области 1050-2300 нм. При этом, дополнительно изменяя значения длины нулевой дисперсии, можно регулировать плоскостность спектра. Рабочее значение температуры составило 24^оС. Из полученных результатов следует, что предлагаемая конструкция многофункционального волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов позволяет:

1) за счет использования многомодовой накачки повысить ресурс использования источника накачки;

2) схема не требует дорогостоящих дополнительных элементов и позволяет изготовить цельноволоконный многофункциональный лазерный источник;

3) использование длинного резонатора 190м и шумоподобного импульса в качестве задающего импульса приводит к увеличению как выходной мощности задающего волоконного лазерного источника (> 20 мВт при энергии в импульсе более 18 нДж), так и увеличению выходной мощности после усилителя (> 300 мВт при энергии в импульсе более 270 нДж);

4) возможность регулирования длительности импульсов без изменения резонатора в диапазоне от 300 фс до 1,2 пс;

5) увеличение средней выходной мощности приводит к возможности получения более широкого спектра суперконтинуума в области 1050-2300 нм;

6) использование оптических волокон легированных оксидом германия GeO₂ с различной длиной волны нулевой дисперсии (1480-1600 нм) позволяет регулировать плоскостность и ширину спектра суперконтинуума.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет увеличить ресурс накачки, повысить выходную мощность волоконного лазера, не требует для усиления импульсов дополнительных элементов, увеличить выходную мощность после усилителя, получить стабильный самозапуск, а также получить плоский и широкий спектр суперконтинуума без использования специальных волокон.