СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF AMPLIFYING LASER RADIATION AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам и устройствам для усиления лазерного излучения на основе волоконной оптики.
В настоящее время ведутся интенсивные разработки источников мощного монохроматического лазерного излучения, обладающего хорошими пространственными характеристиками, а именно дифракционной расходимостью лазерного луча, близкой к гауссовскому пучку.
Оптоволоконные лазеры обладают рядом преимуществ перед остальными типами лазеров, в том числе надежностью, малым весом и высокой энергоэффективностью. Однако мощность монохроматического лазерного излучения, которую можно получить с использованием волоконного лазера, ограничена нелинейными эффектами в волокне и порогом разрушения места вывода излучения из волокна. Для получения пучка лазерного излучения с низкой расходимостью необходимо использование одномодового оптоволокна, диаметр сердцевины которого около 10 микрометров.
Для преодоления данного ограничения, широкое распространение получили способы повышения мощности излучения, связанные с делением исходного излучения от внешнего источника на несколько каналов, их параллельным усилением с помощью лазерных усилителях на основе одномодовых волокон и сведением в один луч усиленного излучения.
2
Для осуществления вышеуказанного способа широкое распространение получили лазерные усилители, построенные по следующей схеме: одномодовый (полупроводниковый или волоконный) задающий лазер генерирует излучение, которое затем делится на множество параллельных каналов и направляется на усилители, построенные, например, на активных волокнах, способных усиливать излучение определенной частоты. Усиленное таким образом лазерное излучение далее собирается вместе и направляется на удаленную мишень, обеспечивая на ней более высокую интенсивность лазерного излучения, чем при использовании одиночного усилителя. При этом возникает следующая проблема: в когерентное излучение лазера после прохождения через волоконный усилитель вносится фазовый шум. Наличие фазового шума излучения проявляется в том, что фаза излучения на выходе усилителей испытывает случайное вращение. Величина, скорость и направление вращения фазы в каждом из параллельных каналов различны. Источником такого фазового шума усилителей, как правило, являются термические эффекты в активном волокне усилителей. Нежелательные сдвиги фазы электромагнитных волн приводит к тому, что при сведении лучей суммарная яркость излучения N усилителей на удаленной мишени оказывается пропорциональна не N, как ожидается при сложении электромагнитных волн, совпадающих по фазе, а значительно меньше. Результатом интерференции лазерных лучей на удаленной мишени является расплывчатая, постоянно меняющаяся дифракционная картина с низкой пиковой интенсивностью. Кроме того, как показано в работе Steven J. Augst, Т.Y.Fan, and Antonio Sanchez, Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers, OPTICS LETTERS / Vol.29, No.5 / March 1, 2004, стр.474, распределение интенсивности фазового шума по частотам носит неоднородный характер. Наибольшая интенсивность фазового шума приходится на низкочастотный интервал.
Для преодоления данных отрицательных эффектов предлагаются различные схемы построения волоконно-оптических лазеров с многоканальными усилителями, в частности, с пассивной синхронизацией мод в параллельных каналах усиления (В.Wang et al. All-fiber 50 W coherently combined passive laser array. Optics Letters, 34, 863 (2009)). Использование пассивной синхронизации мод не избавляет от фазового шума усилителей и не позволяет добиться полной синхронизации излучения.
Наиболее близким к заявленному способу является способ, описанный в патенте US 6366356, в соответствии с которым поступающее от внешнего источника поляризованное лазерное излучение разделяется на основное и эталонное. Основное излучение делится на N каналов, в которых осуществляется усиление основного излучения. Усиленное излучение выводится из волокна с помощью коллиматоров, установленных параллельно, и направляется на мишень. Полупрозрачное зеркало, установленное на пути параллельных лучей, отражает часть излучения (контрольное излучение). Обратная связь в предлагаемом способе управления сдвигом фазы работает по принципу гетеродинирования. Для этого контрольное излучение смешивается с эталонным излучением с помощью полупрозрачного зеркала. Эталонное излучение, используемое в предложенной схеме, дополнительно сдвигается на 40 МГц с помощью акустооптического модулятора. Смешанное излучение далее направляется на один из N фотодетекторов. При отсутствии сдвига фазы в усилителе частота модуляции электрического сигнала на фотодетекторе в точности равна частоте электрического сигнала, подаваемого на акустооптический модулятор. При сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного происходит изменение интенсивности сигнала на фотодетекторе. Далее рассчитывается сдвиг фазы и производится коррекция фазы излучения с помощью модулей подстройки фазы, подаваемого на вход усилителей.
Наиболее близким к заявленному устройству является изобретение по патенту, US 6366356, которое относится к устройствам усиления излучения мощных волоконных лазеров, поступающего из источника поляризованного лазерного излучения, включающее делитель, разделяющий лазерное излучение на основное и эталонное излучение. Затем с помощью оптического N-канального разветвителя основное излучение направляется в N каналов усиления, построенных на основе оптоволоконных усилителей. Усиленное излучение выводится из волокна с помощью коллиматоров, установленных параллельно, и направляется на мишень. Полупрозрачное зеркало, установленное на пути параллельных лучей, отражает контрольное излучение. Схема детектирования сдвига фазы работает по принципу гетеродинирования. Для контроля фазы излучения на выходе усилителей контрольное излучение смешивается с эталонным излучением с помощью полупрозрачного зеркала. Эталонное излучение DFB лазера дополнительно сдвигается на 40 МГц с помощью акустооптического модулятора. Смешанное излучение далее направляется на один из N фотодетекторов. При отсутствии сдвига фазы в усилителе частота модуляции электрического сигнала на фотодетекторе в точности равна частоте электрического сигнала, подаваемого на акустооптический модулятор. При сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного происходит изменение интенсивности сигнала на фотодетекторе, из которого по XOR схеме рассчитывается сдвиг фазы излучения. Исходя из рассчитанного сдвига фазы, с помощью модулей подстройки фазы производится коррекция фазы основного излучения, подаваемого на вход усилителей.
Вышеуказанный способ и устройство для его осуществления имеет следующие недостатки: коррекция фазы излучения производится на входе усилителя, при этом сигнал коррекции поступает на модуль коррекции фазы с некоторой задержкой, определяемой быстродействием процедуры обработки сигнала. Следствием этой задержки является то, что при быстром изменении производной сдвига фазы или же при наличии интенсивного высокочастотного фазового шума возникает: неустойчивость работы алгоритма коррекции, проявляющаяся в неправильном направлении коррекции сдвига фазы и, как следствие, расфазировке каналов излучения. Другим недостатком является то, что система позволяет только зафиксировать фазы излучения на выходе из усилителей, но отсутствует процедура оптимизации разности фаз излучения N каналов для получения равномерного волнового фронта и достижения максимальной яркости в дальней зоне.
4
Необходимо отметить, что при использовании гетеродина к шумам, вносимым усилителями, добавляется шум гетеродина, который при малых частотах сдвига характеризуется законом I~1/f, где I - интенсивность шума, f - частота сдвига, то есть такая схема подстройки лазерного излучения будет вносить наибольшую погрешность в процедуру коррекции при медленном изменении фазы, т.е. в области наибольшей интенсивности фазового шума. Кроме того, конструкция гетеродинной схемы сложнее, т.к. в ней используется процедура сдвига частоты с помощью акустооптических модуляторов.
Задача, поставленная перед заявляемой группой изобретений, заключается в создании способа и устройства для его реализации, обеспечивающего согласование излучения волоконно-оптических лазерных усилителей для получения монохроматического когерентного излучения высокой мощности.
Известен способ получения лазерного излучения, при котором поступающее от внешнего источника поляризованное лазерное излучение разделяется на основное и эталонное. При этом основное излучение дополнительно делится на N каналов, в каждом из которых происходит его усиление, после усиления из основного излучения выделяется контрольное излучение для сравнения с эталонным излучением, его преобразование в электрический сигнал и расчет управляющего сигнала, обеспечивающего подстройку фазы в каналах усиления основного излучения, при этом при прохождении основного, контрольного и эталонного излучений через оптическую схему сохраняется его поляризация.
В соответствии с предлагаемым по изобретению способом подстройка фазы в каждом канале осуществляется после усиления излучения с помощью циклических управляющих сигналов подстройки фазы. Величина управляющего сигнала на каждом цикле для каждого из N каналов определяется отдельно суммированием сигнала, вычисляемого по смещению интерференционных полос в плоскости матрицы фотодетектора, получаемого при попарном сведении в канале лучей контрольного и эталонного излучений, с сигналом, определенным по результатам измерения интенсивности суммарного излучения, получаемого при сведении всех лучей контрольного излучения.
По второму варианту изобретения известно устройство для усиления лазерного излучения, включающее делитель лазерного излучения, осуществляющий разделение поступающего от внешнего источника поляризованного излучения на основное и эталонное. Основное излучение направляется на второй делитель, где происходит его разделение на N каналов и усиление с помощью усилителей в каждом канале, при этом часть излучения отбирается с помощью полупрозрачного зеркала(ал) и формируется контрольный пучок, который сравнивается с эталонным излучением и преобразуется в электрический сигнал, по параметрам которого с помощью расчетного блока осуществляется расчет управляющего сигнала модулей подстройки фазы, для прохождения основного, контрольного и эталонного излучений через оптическую схему используется волокно, сохраняющее поляризацию.
Заявителем предлагается в известном устройстве подстройку фазы осуществлять с помощью N модулей подстройки фазы, расположенных после усилителей, выполняющих сдвиг фазы в каждом из каналов с помощью циклических управляющих сигналов. Циклические управляющие сигналы формируются с помощью ЭВМ, при этом величина каждого управляющего сигнала в каждом из N каналов определяется отдельно, суммированием сигнала, определяемого по смещению интерференционных полос в плоскости матрицы многоканального фотодетектора, при интерференции лучей контрольного и эталонного излучений, падающих на матричный многоэлементный фотодетектор под небольшим углом друг к другу с сигналом, определенным по результатам измерения интенсивности суммарного излучения, получаемого при фокусировании с помощью линзы на одноканальным фотодетекторе всех лучей контрольного излучения.
В предлагаемом способе и устройстве для его реализации модули подстройки фазы расположены после усилителей, что позволяет скомпенсировать изменения длины оптического пути, возникающие в результате термических флуктуации в активном волокне усилителей и добиться синхронизации излучения параллельных каналов усиления, исключив влияние циклических возмущений, возникающих при подстройке фазы в оптических каналах до усилителей. Таким образом, в предлагаемом способе производится коррекция только усиленного излучения, что позволяет резко увеличить устойчивость процедуры коррекции фазы, так как отсутствует вмешательство в работу усилителя, приводящее к изменению параметров усиленного излучения, сопровождающегося дополнительным фазовым шумом.
Полученный в результате использования способа и устройства для его реализации монохроматический когерентный пучок излучения высокой мощности близок по распределению интенсивности к гауссовому и имеет один центральный максимум.
Использование матричных многоэлементных фотодетекторов для детектирования фазы излучения в каждом канале позволяет определять направление сдвига фазы для каждого канала относительно эталонного излучения и непосредственно определять величину сигнала коррекции. Кроме того, использование матричных многоэлементных фотодетекторов позволяет упростить и ускорить процедуру математической обработки детектируемого сигнала и перевести алгоритм подстройки фазы из последовательного в параллельный.
Подстройка фазы в устройстве усиления лазерного излучения является многоканальной и может осуществляться путем изменения длины оптического пути с помощью оптоволоконных модулей сдвига фазы, предназначенных для работы с усилителями малой и средней мощности. Сдвиг фазы в оптоволоконных модулях основан на изменении длины оптического пути лазерного излучения в волокне. Использование таких модулей целесообразно для подстройки фазы излучения мощностью до нескольких ватт в канале. Использование волоконных модулей подстройки фазы позволяет скомпенсировать фазовый шум с частотой до 20 кГц.
Подстройка фазы в устройстве для многоканального усиления лазерного излучения также может осуществляться с помощью модулей сдвига фазы на открытой оптике, например с помощью перемещаемых зеркал (адаптивная оптика). Такие модули сдвига фазы обеспечивают меньший частотный диапазон (как правило, до 1-2 кГц), однако позволяют существенно повысить допустимую мощность основного излучения, проходящего через канал.
В устройстве для многоканального усиления лазерного излучения коллиматоры, с помощью которых излучение выводится из оптоволокна, предпочтительно собирать в гексагональном порядке в единый модуль с возможностью подстройки - направления оптических осей каждого отдельного коллиматора. Такое размещение коллиматоров позволяет максимально сблизить их оптические оси и тем самым повысить яркость излучения на мишени.
Рис.1. Схема когерентного оптического усилителя лазерного излучения.
Рис.2. Схематическое изображение коллиматорного модуля с гексагонально-расположенными коллиматорами.
Рис.3. Схема подстройки фазы в когерентном оптическом усилителе.
Пример реализации способа усиления лазерного излучения и устройства для его реализации (Рис.1).
На вход усилителя 2 подается поляризованное излучение с внешнего источника 1, который выполнен на основе монохроматического полупроводникового DFB лазера с волоконным выходом на РМ волокне (волокно с сохранением поляризации). С выхода усилителя 2 основное лазерное излучение попадает на волоконный делитель 3, с помощью которого делится на основное и эталонное излучение. Основное излучение направляется на делитель 4, где происходит его разделение на N каналов и дальнейшее усиление с помощью усилителей 5.
После усилителей 5 основное излучение направляется в модули подстройки фазы 6. После модулей подстройки фазы 6 излучение выводится из оптоволокна с помощью коллиматоров 7. Коллиматоры 7 собраны в модуле 8 в гексагональном порядке. На рис.2 приведен пример коллиматорного модуля на 7 каналов. В модуле 8 предусмотрена возможность отклонения лучей в пределах нескольких угловых минут для подстройки параллельности выходящих лучей или незначительного их наклонения для нацеливания лучей на близко расположенную мишень М. Выходящие из коллиматоров лучи приблизительно параллельны. Небольшая часть основного излучения, называемая контрольным излучением, отражается от стеклянной пластины 9 и направляется на матричные многоэлементные фотодетекторы 10, пройдя через полупрозрачные зеркала 11 и 12. Общее количество многоэлементных фотодетекторов 10 равно N.
Лучи контрольного излучения, отраженные от полупрозрачного зеркала 11, собираются вместе и фокусируются с помощью линзы 13 на диафрагме 14, расположенной перед одноканальным фотодетектором 15.
Оптоволоконные усилители и пассивные оптоволоконные элементы, используемые в данной схеме, изготовлены на основе РМ волокна, сохраняющего поляризацию излучения.
Способ когерентного усиления лазерного излучения на примере предлагаемого устройства осуществляется в следующем порядке.
Внешний источник поляризованного лазерного излучения 1 генерирует основное лазерное излучение высокой степени когерентности с шириной спектральной линии 10 кГц. Далее основное лазерное излучение подается на вход предварительного волоконного усилителя мощности 2. С выхода усилителя 2 основное лазерное излучение попадает на волоконный делитель 3, с помощью которого делится на основное и эталонное излучение.
Основное излучение направляется на делитель 4, где происходит его разделение на N каналов и дальнейшее усиление с помощью усилителей 5. После усилителей 5 основное излучение направляется в модули подстройки фазы 6. После модулей подстройки фазы 6 излучение выводится из оптоволокна с помощью коллиматоров 7. Коллиматоры 7 собраны в едином модуле 8 с минимальным расстоянием между оптическими осями и имеют возможность подстройки направления оптических осей.
Выходящие из коллиматоров 7 лучи основного излучения проходят сквозь стеклянную пластину 9 и фокусируются на удаленной мишени М. Кроме того, контрольное излучение отражается от стеклянной пластины 9 и, пройдя через полупрозрачные зеркала 11 и 12, направляется на матричные многоэлементные фотодетекторы 10, в которых осуществляется их преобразование в электрический сигнал.
Лучи контрольного излучения, отраженные от полупрозрачного зеркала 11, собираются вместе и фокусируются с помощью линзы 13 на диафрагме 14, расположенной перед одним одноканальным фотодетектором 15.
Эталонный сигнал с выхода волоконного делителя 3 направляется на делитель 16, с помощью которого эталонный сигнал делится на N каналов и с помощью коллиматоров 17 выводится из волокна. Эталонный сигнал проходит через светофильтры с переменной плотностью 18 и направляется с помощью полупрозрачного зеркала 12 на матричные многоэлементные фотодетекторы 10. С помощью светопоглощающего блока 19 происходит гашение части контрольного и эталонного излучения, отраженного от полупрозрачного зеркала 12 и не используемого для детектирования.
Для получения четкой интерференционной картины абсолютные интенсивности лучей, попадающих на матрицы-фотодетекторы 10, выравниваются с помощью светофильтров 18 с переменной плотностью.
Оптический сигнал обрабатывается циклически в следующем порядке (рис.3).
В матрицах-фотодетекторах 10 происходит преобразование интерференционной картины, получаемой при сведении контрольного и эталонного лучей на фотодетекторе для каждого канала, в аналоговый электрический сигнал, который показывает распределение интенсивности оптического излучения на матрице фотодетектора 10. Для детектирования предпочтительно использовать матричные многоэлементные фотодетекторы с, по меньшей мере, 128 или 256 каналами. При сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного полосы интерференции сдвигаются в плоскости матрицы. Аналоговый электрический сигнал с помощью АЦП преобразуется в цифровой сигнал и направляется в ЭВМ, что позволяет при сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного излучения с помощью ЭВМ регистрировать величину и направление сдвига интерференционной картины.
Параллельно (в этом же цикле) измеряется интенсивность суммарного излучения, получаемого при сведении вместе всех лучей контрольного излучения на фотодетекторе 15. Полученный с фотодетектора 15 аналоговый электрический сигнал с помощью АЦП2 преобразуется в цифровой и направляется в ЭВМ.
1
2
N
Затем с помощью ЭВМ осуществляется компьютерная обработка цифрового сигнала (поступившего из АЦП и АЦП2), при этом рассчитывается величина и направление сдвига фазы отдельно для каждого канала и формируются с помощью ЦАП управляющие сигналы U(t), U(t)…U(t), для компенсации сдвига фазы с помощью модулей подстройки фазы 6. В результате подстройки фазы излучения в каждом канале, на выходе коллиматоров 7 мы получаем многоканальное оптическое излучение, стабилизированное для каждого из каналов, фазы которых взаимно подстроены между собой. Это позволяет скомпенсировать фазовый шум, вносимый усилителями 5, и получить когерентное излучение с высокой интенсивностью и хорошим качеством луча.
Таким образом, предложенные способ усиления лазерного излучения и устройство для его осуществления позволяют добиться многократного усиления без потери когерентных свойств излучения, что позволяет получить монохроматический пучок лазерного излучения, максимально приближенный по параметрам к гауссовскому пучку. Стабилизация фазы каждого из каналов и их взаимная подстройка в предлагаемой группе изобретений позволяют увеличить долю излучения, присутствующего в главной моде, с примерно 20% при отсутствии подстройки фазы до 90-97% при включенной активной стабилизации.
Предлагаемый способ и устройство могут найти применение, например, в лидарных устройствах, в системах связи и управления космическими летательными аппаратами, передачи информации по лазерному лучу в космических условиях на большие и сверхбольшие расстояния.