ЦЕЛЬНО-ВОЛОКОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ АВТОГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
INTEGRAL FIBRE LASER SYSTEM AND METHOD FOR AUTOGENERATION OF LASER PULSES

Область техники
Изобретение относится к импульсным волоконным лазерным системам, осуществляющим генерацию с пассивной модуляцией добротности, а именно к двухчастотным в оптическом диапазоне лазерным системам с преобразованием коротковолнового лазерного излучения накачки в длинноволновое, в геометрии вложенного один в другой резонаторами при наличии оптоэлектронной обратной связи управления.
Предшествующий уровень техники
Импульсные волоконные лазеры широко применяют в различных областях науки и техники. При полностью волоконной реализации такой лазер называют цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера его называют волоконно-дискретным или гибридным. Волоконные лазеры применяют в промышленности для резки металлов и маркировки продукции, в сварке и обработке металлов и композиционных материалов, в линиях волоконно-оптической связи, локации, медицине и спектроскопии. Их основными преимуществами являются высокое оптическое качество излучения, эргономичность, компактность и возможность встраивания в технологическое оборудование. Существует большое разнообразие конструкций волоконных лазеров, обусловленное спецификой их применения. При их изготовлении широко применяют как кольцевые резонаторы, так и линейные резонаторы типа Фабри - Перо, образованные парами волоконных брэгговских решеток (ВБР). Для получения мощных наносекундных импульсов с частотой следования в единицы и десятки килогерц часто применяют схемы с модуляцией добротности (англ. Q-switching).
Режим модуляции добротности осуществляют применением в резонаторе как активных, так и пассивных оптических сред и элементов. Дискретный электро- или акустооптический модулятор - это примеры активных элементов внутри волоконного резонатора, управляются внешней электронной схемой. Дискретный насыщающийся оптический элемент - это пример пассивного элемента, ответственного за автогенерацию лазерных импульсов. Например, кристаллы как U:CaF2, U:SrF2, U:BaF2 в изобретении R.D. Stub et al., ЕР 0790684 A2, Glass fiber system using uranium-doped crystal Q-switch. Однако дискретные элементы не всегда легко сопрягаются с волокном, требуют использования дополнительных оптических устройств - фокусаторов, зеркал, и поэтому усложняют, удорожают изделие и делают его не столь компактным и надежным в работе.
Известен цельноволоконный лазер с применением легированного волокна в качестве пассивного насыщающегося элемента для осуществления режима модуляции добротности - Passive Q-switching all-fiber laser utilizing doped fiber as saturated absorption body, CN 102904153 A, SHI WEI et al. Авторы предлагают оптическую схему - Фиг.1, волоконного лазера, в которой осуществляют пассивную модуляцию добротности при помощи насыщающегося волоконного поглотителя 103, в котором существуют уровни лазерных переходов. Накачку волоконного поглотителя осуществляют волоконным лазером с активным волокном 105 внутри резонатора, ограниченного ВБР 102 и 106. Такой поглотитель заменяет дискретный оптический элемент (кристалл) и обеспечивает режим с пассивной модуляцией добротности, без преобразования лазерной частоты, характерной для используемого типа активного волокна 105 лазера, накачиваемого диодом 101. Ввиду того, что волоконный поглотитель не имеет своего резонатора, генерация излучения осуществляется на одной частоте. А другое, более длинноволновое излучение, характерное для оптических переходов в поглотителе не используется надлежащим образом как лазерное излучение. Но именно эта более длинноволновая часть спектра часто оказывается полезной в прикладном значении, например, в спектроскопии и хирургии. Кроме того, к недостаткам предложенной схемы можно отнести низкий уровень выходной мощности и недостаточную стабильность частоты следования импульсов.
Более продвинутое решение предлагают в своей работе A.S. Kurkov et al, All fiber Yb-Ho pulsed laser, Laser Phys. Lett. 6, No.2, 135-138 (2009), в которой авторы осуществляют пассивную модуляцию добротности при помощи насыщающегося поглотителя. Этот насыщающийся поглотитель помещают в собственный резонатор с глухими зеркалами - волоконными брэгговскими решетками с характерной длиной волны, соответствующей лазерному переходу поглотителя, так что это излучение не выходит за пределы глухого резонатора. Например, таким поглощающим элементом может быть отрезок световода, легированного ионами редкоземельныого металла гольмия. Световод размещается в резонаторе волоконного итербиевого лазера. Однако ввиду использования глухих зеркал эта схема не позволяет вывести более длинноволновое излучение на длине волны гольмия 2,0 мкм за пределы резонатора, и волоконный лазер работает на одной оптической частоте, а именно на частоте итербиевого лазера 1,125 мкм. Кроме того, в предлагаемой схеме не предусмотрена возможность управления и подстройкой частоты генерации импульсов.
Таким образом, задача создания недорогого цельноволоконного двухчастотного лазера с пассивной модуляцией добротности и управляемой частотой следования импульсов на резонансных длинах волны оптического поглотителя и лазера накачки является актуальной и значимой.
Сущность изобретения
В изобретении предлагается схема управляемой импульсной цельноволоконной лазерной системы, Фиг.2, позволяющая осуществить генерацию на двух разных длинах волн, не прибегая к сложным оптическим дискретным элементам (модуляторами), чем достигается более высокие технико-экономические показатели - надежность, стабильность, управляемость и экономичность (дешевизна). В ней используют волоконный лазер 202, в котором осуществляется пассивная модуляция добротности при помощи насыщающегося поглотителя в виде активного волокна 201, в котором существуют уровни лазерных переходов из-за присутствия ионов редкоземельных металлов, например Тm (и/или Но). В отличие от традиционной схемы модуляции добротности, этот насыщающийся волоконный поглотитель помещают в собственный резонатор, внутри резонатора накачки (между ВБР-зеркалами 206 и 209), ограниченный собственными ВБР-зеркалами - 207 и 208, причем одно из зеркал неглухое, что позволяет осуществить лазерную генерацию на длине волны поглотителя и вывод излучения 210 или 211 за пределы резонатора. В примере Фиг.2 таким поглощающимся элементом служит тулиевый лазер 201 с активным волокном, легированным тулием (Тm), который размещают в резонаторе волоконного эрбиевого (Еr) лазера путем оптоволоконной сварки. Такая оптическая схема позволяет осуществить импульсную генерацию лазерного излучения одновременно на двух разных оптических частотах с длинами волн, характерными для эрбиевого - 1,5 мкм и тулиевого - 1,9 мкм лазерного перехода. Накачку коротковолнового резонатора с активным эрбиевым волокном осуществляют полупроводниковым лазером или лазерным диодом LD, питаемым от драйвера тока 204, управляемым программируемой микросхемой или микроконтроллером (МС) 205. В данном примере для накачки эрбиевого активного волокна используют лазерный диод с длиной волны 962 нм.
Таким образом, в лазерной системе возникающие импульсы генерации эрбиевого лазера накачки 202 на длине волны 1567 нм осуществляют накачку вложенного резонатора, в котором активной средой является насыщающийся поглотитель - тулиевый лазер 201. Это приводит к импульсной генерации на более длинной волне 1908 нм, в сравнении с длиной волны накачки эрбиевого лазера. В зависимости от расположения неглухих (полупрозрачных) ВБР-зеркал в каждой паре 206, 209 и 207, 208, пропускающих излучение из обоих резонаторов наружу, можно получить различные варианты вывода из системы того или иного излучения. А именно - излучение длиноволнового Tm-лазера и коротковолнового Еr-лазера накачки выводятся:
- в разные стороны или в одну и ту же сторону,
- выводится только длинноволновое излучение,
- выводится только коротковолновое излучение лазера накачки.
Некоторые возможные комбинации следуют из табл. 1 в конфигурации Фиг.2.
Таблица 1
Пары ВБР, (Фиг.2)
Глухая ВБР
Неглухая ВБР
Длина волны, мкм
Направление (Фиг.2)
106
x
-
1567
110
109
-
x
1567
106
-
x
1567
104
109
x
-
1567
106
x
-
1567
-
109
x
-
1567
107
x
-
1908
110
108
-
x
1908
107
x
-
1908
-
108
x
-
1908
Импульсная генерация возникает при постоянном уровне тока накачки LD. Предложен режим согласованной автогенерации: при модулированном токе накачки LD с частотой модуляции fo наступают условия для синхронизации частот лазерных импульсов системы и тока модуляции на этой частоте.
На Фиг.3 представлена схема лазерной системы, охваченной обратной связью по частоте следования импульсов для повышения стабильности генерации. Часть выходного излучения ответвляется 1%-ответвителем 310 к фотодиоду PD оптоэлектронного преобразователя 311, выходной сигнал с которого (показан пунктиром) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера МС 305. Под управлением МС реализуется отрицательная обратная связь путем подсчета числа импульсов за фиксированный период времени и в случае отклонения их числа при следующем подсчете, ток накачки LD изменяется (увеличивается или уменьшается мощность излучения LD) по команде МС в драйвер тока LD 304, таким образом, чтобы компенсировать отклонение частоты от прежнего значения.
Для увеличения мощности импульсного излучения 313, 315 любой частотной компоненты на выходе из резонаторов применяют волоконный оптический усилитель 312 и/или 314. В частности, качестве такого усилителя применяют усилитель на эффекте вынужденного рекомбинационного рассеяния (рамановский усилитель).
Таким образом, в изобретении предлагаются две системы:
1. Цельноволоконная импульсная лазерная система для генерации лазерных импульсов в режиме пассивной модуляции добротности (Фиг.2), содержащая два вложенные один в другой волоконные резонаторы - коротковолновой 201 и длинноволновой 202, при внешней накачке коротковолнового резонатора излучением полупроводникового лазера 204 (лазерным диодом LD), возбуждаемым электрическим током, и генерирующая на оптической частоте коротковолнового резонатора 202, отличается тем, что длинноволновой резонатор 201 является резонатором длинноволнового волоконного лазера, ограниченного собственной парой волоконных брэгговских решеток 207, 208 - одна из которых пропускает излучение за пределы резонаторов, причем накачка коротковолнового резонатора 202 осуществляется излучением лазерного диода LD, питаемого электрическим током от электронного устройства - драйвера тока 204, по команде программируемой микросхемы МС 205 так, чтобы осуществлялась импульсная генерация длинноволнового волоконного лазера, накачиваемого излучением коротковолнового лазера;
и включает в себя:
- резонатор коротковолнового волоконного лазера 202, ограниченный собственной парой волоконных брэгговских решеток 206, 209, содержащий участок активного волокна, например эрбиевого (Еr), и
- лазерный диод LD, питаемый электрическим током от электронного устройства
- драйвера тока 204, по команде программируемой микросхемы 205, и
- резонатор длиноволнового волоконного лазера 201, содержащий участок активного волокна, например тулиевого (Тm), и помещенный внутрь резонатора коротковолнового лазера 202 путем соединения с помощью оптоволоконной сварки, и ограниченный своей парой волоконных брэгговских решеток 207, 208,
- одна из которых пропускает излучение 210 или 211 за пределы резонаторов; в которой:
- применяют активные волокна длиноволнового 201 и коротковолнового 202 волоконных лазеров, легированные одними и тем же или разными ионами редкоземельных металлов из ряда: Yb, Er, Nd, Но, Sm, Tu;
- одно из зеркал 206 или 209 коротковолнового резонатора неглухое, а другое глухое.
- выводят наружу только длинноволновое излучение;
- выводят наружу в противоположные направления по волокну резонатора коротковолновое и длинноволновое излучение;
- выводят наружу в одном направлении по одному и тому же волокну и коротковолновое, и длинноволновое излучение;
- управление амплитудой и частотой электрического тока лазерного диода LD осуществляют драйвером тока 204 по команде программируемой микросхемы 205;
- ток лазерного диода LD поддерживают постоянным или импульсным по сигналу программируемой микросхемы 205;
- ток лазерного диода модулируют в соответствии с сигналом программируемой микросхемы 205, таким образом, чтобы частота модуляции была синхронной с частотой следования импульсов излучения волоконных лазеров 201, 202.
2. Цельноволоконная импульсная лазерная система для генерации лазерных импульсов в режиме пассивной модуляции добротности (Фиг.3), содержащая два вложенные один в другой волоконные резонаторы - коротковолновой 302 и длинноволновой 301, при внешней накачке коротковолнового резонатора излучением полупроводникового лазера 304 (лазерным диодом LD), возбуждаемым электрическим током, и генерирующая на оптической частоте коротковолнового резонатора 302, отличается тем, что длинноволновой резонатор 301 является резонатором длинноволнового волоконного лазера, ограниченного собственной парой волоконных брэгговских решеток 307, 308 - одна из которых пропускает излучение за пределы резонаторов, причем накачка коротковолнового резонатора 302 осуществляется излучением лазерного диода LD, питаемого электрическим током от электронного устройства - драйвера тока 304, по команде микроконтроллера МС 305 так, чтобы осуществлялась импульсная генерация длинноволнового волоконного лазера, накачиваемого излучением коротковолнового лазера, а частота следования импульсов стабилизировалась за счет наличия отрицательной обратной оптоэлектронной связи под управлением микроконтроллера 305, при условии, что:
- фотоприемное устройство PD с оптоэлектронным преобразователем 311 принимает оптический сигнал в виде части генерируемого импульсного излучения и передает электронный сигнал ко входу цифроаналогового преобразователя микроконтроллера 305, который обеспечивает стабилизацию импульсного режима, управляя током лазерного диода LD посредством драйвера тока 304; и включает в себя:
- резонатор коротковолнового волоконного лазера 302, ограниченный собственной парой волоконных брэгговских решеток 306 и 309, содержащий участок активного волокна, и
- лазерный диод LD, питаемый электрическим током от электронного устройства
- драйвера тока 304 с управлением от микроконтроллера 305, и
- резонатор длиноволнового волоконного лазера 301, содержащий участок активного волокна, и помещенный внутрь резонатора коротковолнового лазера 302 путем соединения с помощью оптоволоконной сварки, и ограниченный своей парой волоконных брэгговских решеток 307 и 308 - одна из которых пропускает излучение за пределы резонаторов, и
- фотоприемное устройство PD с оптоэлектронным преобразователем 311, принимающее оптический сигнал в виде части генерируемого импульсного излучения, и передающее электронный сигнал ко входу цифроаналогового преобразователя микроконтроллера 305, который обеспечивает стабилизацию импульсного режима за счет обратной связи между оптическим сигналом и электронным сигналом драйвера тока 304 лазерного диода LD;
в которой:
- излучение отводится посредством волоконного ответвителя 310 или через внешнюю оболочку волокна;
- осуществляют отрицательную обратную связь по частоте следования импульсов, таким образом, чтобы препятствовать изменению частоты путем управления драйвером тока накачки 304, изменяя постоянный ток лазерного диода LD, т.е. мощность его накачки;
- осуществляют подстройку частоты следования импульсов в режиме согласованной автогенерации путем подстройки частоты модуляции и амплитуды тока накачки лазерного диода LD для достижения синхронизации с частотой следования лазерных импульсов под управлением микроконтроллера 305.
В любой из предложенных выше лазерных систем, используют волоконный усилитель мощности 312 и/или 314 для усиления выходного излучения 313/315 по любой оптической компоненте, в частности, волоконным усилителем мощности является усилитель на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния - рамановский усилитель.
Также в изобретении предлагается новый способ автогенерации лазерных импульсов системой из двух волоконных лазеров с вложенными один в другой резонаторами в режиме пассивной модуляции добротности, при внешней накачке полупроводниковым лазером (лазерным диодом), возбуждаемым электрическим током, отличающийся тем, что достигают режим согласованной автогенерации лазерных импульсов излучения на двух разных оптических частотах при условии, что частоту модуляции тока накачки синхронизуют с частотой следования лазерных импульсов в лазерной системе; в котором:
- режим самосогласованной автогенерации достигают путем подстройки частоты модуляции и мощности тока накачки лазерного диода до наступления синхронизации с частотой следования лазерных импульсов;
- осуществляют накачку одного волоконного резонатора излучением лазерного диода;
- осуществляют накачку двух волоконных резонаторов излучением лазерного диода;
- осуществляют стабилизацию режима согласованной автогенерации импульсов с применением обратной оптоэлектронной связи, согласующей частоту следования импульсов с частотой модуляции тока и мощностью накачки лазерного диода, таким образом, чтобы препятствовать изменению частоты следования импульсов путем коррекции мощности и/или частоты модуляции тока накачки лазерного диода, например, питание диода осуществляют широтно-импульсным модулированным током и скважность импульсов подстраивают по команде микроконтроллера, включенного в цепь обратной связи с оптоэлектронным устройством - микроконтроллер анализирует частоту импульсов лазерной генерации и при ее изменении вырабатывает управляющий сигнал, чтобы компенсировать отклонение, изменяя скважность импульсов тока, т.е. мощность накачки.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Оптическая схема волоконного лазера с волоконным пассивным поглотителем без собственного резонатора (CN 102904153 А).
102, 106 - пара волоконных брэгговских решеток,
103 - волоконный поглотитель,
104 - волоконный каплер,
105 - активное волокно лазера,
107 - выход излучения.
Фиг.2. Схема цельноволоконной импульсной лазерной системы.
201 - длинноволновой волоконный лазер,
202 - коротковолновой волоконный лазер,
203 - оптический ввод излучения лазерного диода в активное волокно,
204 - устройство управления током лазерного диода LD (драйвер тока LD),
205 - программируемая логическая интегральная схема (или микроконтроллер МС),
206, 209 - пара волоконных брэгговских решеток резонатора лазера 202,
210, 211 - выход излучения,
207, 208 - пара волоконных брэгговских решеток резонатора лазера 201.
Фиг.3. Схема управляемой цельноволоконной импульсной лазерной системы с оптическим усилением мощности.
301 - длинноволновой волоконный лазер,
302 - коротковолновой волоконный лазер,
303 - оптический ввод излучения лазерного диода в активное волокно,
304 - устройство управления током лазерного диода LD (драйвер тока LD),
305 - программируемая логическая интегральная схема (или микроконтроллер МС),
306, 309 - пара волоконных брэгговских решеток резонатора лазера 202,
307, 308 - пара волоконных брэгговских решеток резонатора лазера 201,
310 - волоконный ответвитель,
311 - оптоэлектронный преобразователь с фотоприемником PD,
312, 314 - оптические усилители мощности (в частности рамановские),
313, 315 - выход излучения.
Фиг.4. Осциллограмма импульсов излучения волоконных лазеров (не в масштабе).
401 - лазерный импульс длинноволнового излучения 1905 нм длительностью 108 нс,
402 - лазерный импульс коротковолнового излучения 1567 нм длительностью 185 нс,
Фиг.5. Осциллограмма синхронных лазерных импульсов в режиме согласованной автогенерации.
Осуществление изобретения
Лазерная система, собранная в конфигурации Фиг.2, позволила осуществить импульсную лазерную генерацию на длинах волн 1567 и 1908 нм. Длительность импульса тулиевого лазера с длиной волны 1908 нм составила 105 нс, при накачке эрбиевым волоконным лазером с длиной волны 1567 нм при длительности импульса 185 нс и частоте следования 30 кГц (Фиг.4) Энергия в импульсе тулиевого лазера была равна 40 мкДж, при средней энергии 1 Вт.
При тестировании схемы стабилизации (Фиг.3) установлено, что девиация частоты следования импульсов составила менее 1% при работающей обратной связи.
В режиме согласованной автогенерации, при синхронизации частоты модуляции fo тока накачки LD с частотой следования лазерных импульсов в лазерной системе достигнута девиация частоты не более 1%. На Фиг.5 нижний ряд прямоугольных импульсов отвечает модулированному току на частоте fo=20 кГц, верхний ряд - импульсы лазерного излучения системы.
В Таблице 2 приведен диапазон амплитуд токов накачки Imin и Imax для LD типа PLD-34-962 (IPG Photonics) и соответствующая скважность прямоугольных импульсов тока по отношению к «единичной» ширине - в оптической схеме Фиг.2.
Таблица 2
Частота fo, кГц
Скважность
Imin, А
Imax, А
20
1:3,3
7,2
7,43
30
1:2,2
6,2
6,31
40
1:1,67
5,67
5,69
Промышленная применимость
Предложенные двухволновые лазерные системы могут быть эффективно применены в различных областях науки и техники, в частности, в спектроскопии, лазерной локации (в области 2 мкм имеется окно прозрачности атмосферы), обработке материалов, медицине, особенно как источники излучения, режущие и одновременно коагулирующие кровеносные сосуды. Применение этих лазерных систем и способа согласованной автогенерации позволит достичь новый технический уровень и обеспечить лучшие технико-экономические показатели в направлении экономичности (дешевизны), надежности, стабильности и управляемости импульсным излучением.