ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С НЕЛИНЕЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТ ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЫСОКОДОБРОТНОМ РЕЗОНАТОРЕ (ВАРИАНТЫ)
FIBRE LASER WITH NONLINEAR RADIATION FREQUENCY CONVERSION IN HIGH-Q RESONATOR (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к лазерам - приборам для генерации когерентных электромагнитных волн и промышленно применимо в устройствах и системах, использующих лазерное излучение.
Из существующего уровня техники известен волоконный лазер с нелинейным преобразованием частот излучения во внешнем высокодобротном резонаторе (J.W. Kim et al. Efficient second-harmonic generation of continuous-wave Yb fiber lasers coupled with an external resonant cavity. Appl Phys B, 108, 539-543 (2012)). Высокодобротный резонатор является внешним по отношению к волоконному лазеру и не имеет с ним никаких общих элементов. Недостатком данного технического решения является относительно большая временная нестабильность интенсивности излучения второй гармоники, которая может достигать единиц процентов (<4%, среднеквадратичная), и эта нестабильность обусловлена нестабильной оптической связью двух резонаторов - резонатора лазера и высокодобротного резонатора - в силу независимости их конструкций. Дополнительным недостатком указанного решения является неоптимальная выходная мощность излучения лазера, что вызвано неоптимальным пропусканием выходного зеркала резонатора лазера, составляющим 96%, это выходное зеркало образовано перпендикулярным к пучку излучения лазера выходным волоконным кварцевым торцом, не имеющим какого-либо покрытия.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является волоконный лазер с нелинейным преобразованием частот излучения во внутреннем высокодобротном резонаторе (WO 2012/101391 A1, Optical fiber lasers, опубл. 02.08.2012). В этом решении высокодобротный резонатор содержится внутри линейного резонатора лазера ('резонатор в резонаторе', при этом лазер генерирует на тех частотах, которые являются общими для обоих резонаторов - лазер генерирует на тех продольных модах линейного резонатора, которые попадают в полосы пропускания высокодобротного резонатора. Недостатком этого технического решения является то, что добротность внутреннего резонатора ограничена в силу необходимости ввода излучения во внутренний резонатор и вывода из него для организации обратной связи. Т.е. два зеркала внутреннего резонатора, которые должны частично пропускать лазерное излучение, увеличивают потери излучения во внутреннем резонаторе, что понижает добротность внутреннего резонатора и, соответственно, уменьшает эффективность нелинейного преобразования частот излучения во внутреннем резонаторе.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является создание волоконного лазера с увеличенной мощностью выходного излучения и увеличенной эффективностью нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе, а также с уменьшенной временной нестабильность интенсивности преобразованного излучения.
Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном лазере с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, волоконный линейный резонатор, включающий поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, волоконный модуль спектрального сведения для заведения излучения накачки в усиливающее волокно, спектрально-селективный отражающий элемент с одной стороны линейного резонатора, содержащий нелинейный оптический кристалл высокодобротный резонатор с другой стороны линейного резонатора, расположенный между высокодобротным резонатором и усиливающим волокном торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, расположенный между торцом волокна и высокодобротным резонатором фокусирующий элемент, фокусирующий выходящее из торца волокна излучение в высокодобротный резонатор и согласующий моду линейного резонатора с модой высокодобротного резонатора, согласно изобретению одна из двух плоских рабочих поверхностей нелинейного кристалла, имеющих просветляющие покрытия, перпендикулярна падающему пучку излучения и служит выходным зеркалом линейного резонатора волоконного лазера, между торцом волокна и фокусирующим элементом расположен коллимирующий оптический элемент, а между фокусирующим элементом и коллимирующим элементом расположен поляризатор, отражающие поверхности которого наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса.
В частности, высокодобротный резонатор может быть выполнен в четырехзеркальной, трехзеркальной и двухзеркальной конфигурации. В трехзеркальной конфигурации вместо одного из зеркал используется призма.
В частности, нелинейный оптический кристалл имеет форму прямоугольного параллелепипеда с двумя рабочими поверхностями, которые перпендикулярны падающему пучку излучения и имеют просветляющие покрытия для излучения лазера.
В частности, нелинейный оптический кристалл имеет вторую поверхность, ориентированную под углом Брюстера относительно пучка лазерного излучения.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной поверхности призмы.
В частности, отражение просветленной рабочей поверхности нелинейного оптического кристалла составляет для излучения лазера не более 1%.
В частности, пропускание входного зеркала высокодобротного резонатора для излучения лазера имеет значение в диапазоне 1-5%.
В частности, нелинейным оптическим кристаллом может быть кристалл для удвоения частот генерации, параметрического или вынужденного комбинационного (рамановского) преобразования частот генерации.
В частности, в качестве усиливающего волокна может быть использовано как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.
В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может служить рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образуют две волоконные брэгговские решетки, имеющие перпендикурярные лучу или наклонные штрихи и отражающие излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.
В частности, в дополнение к спектрально-селективному отражающему элементу может быть использован спектрально-селективный пропускающий элемент, такой как интерферометр Фабри-Перо, установленный в коллимированном пучке излучения в резонаторе лазера.
В частности, в четырехзеркальном высокодобротном резонаторе могут быть расположены два нелинейных оптических кристалла, осуществляющие разные типы нелинейного преобразования спектра излучения волоконного лазера.
В частности, в качестве спектрально-селективного отражающего элемента используется волоконная брэгговская решетка с наклонными штрихами.
Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном лазере с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, волоконный линейный резонатор, включающий поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, волоконный модуль спектрального сведения для заведения излучения накачки в усиливающее волокно, спектрально-селективный отражающий элемент с одной стороны линейного резонатора, содержащий нелинейный оптический кристалл высокодобротный резонатор с другой стороны линейного резонатора, расположенный между высокодобротным резонатором и усиливающим волокном торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, расположенный между торцом волокна и высокодобротным резонатором фокусирующий элемент, фокусирующий выходящее из торца волокна излучение в высокодобротный резонатор и согласующий моду линейного резонатора с модой высокодобротного резонатора, согласно изобретению в высокодобротном резонаторе расположен оптический элемент, одна из двух плоских рабочих поверхностей которого, имеющих просветляющие покрытия, перпендикулярна падающему пучку излучения и служит выходным зеркалом линейного резонатора волоконного лазера, между торцом волокна и фокусирующим элементом расположен коллимирующий оптический элемент, а между фокусирующим элементом и коллимирующим элементом расположен поляризатор, отражающие поверхности которого наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса.
В частности, спектрально-селективным элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной поверхности призмы.
В частности, отражение просветленной рабочей поверхности оптического элемента составляет для излучения лазера не более 1%.
В частности, пропускание входного зеркала высокодобротного резонатора для излучения лазера имеет значение в диапазоне 1-5%.
В частности, нелинейным оптическим кристаллом может быть кристалл для удвоения частот генерации, параметрического или вынужденного комбинационного (рамановского) преобразования частот генерации.
В частности, в качестве усиливающего волокна может быть использовано как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.
В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может служить рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образуют две волоконные брэгговские решетки, имеющие перпендикурярные лучу или наклонные штрихи и отражающие излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.
В частности, в дополнение к спектрально-селективному отражающему элементу может быть использован спектрально-селективный пропускающий элемент, такой как интерферометр Фабри-Перо, установленный в коллимированном пучке излучения в резонаторе лазера.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является достижение увеличенной мощности выходного излучения и увеличенной эффективности нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе, а также достижение уменьшенной временной нестабильности интенсивности преобразованного излучения. Повышенная мощность выходного излучения достигается за счет оптимального пропускания выходного зеркала резонатора, составляющего 99% и более. Использование в качестве выходного зеркала волоконного лазера просветленной рабочей поверхности нелинейного оптического кристалла с отражением излучения не более 1% является оптимальным для достижения максимальной выходной мощности волоконного лазера. По данным работы Liao et al. Optimization of Yb3+- doped double-clad fiber lasers using a new approximate analytical solution. Optics & Laser Technology, 43(1), 55-61 (2011) оптимальное пропускание выходного зеркала волоконного лазера составляет 99% и более. Повышенная эффективность нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе достигается за счет того, что в предложенном техническом решении высокодобротный резонатор имеет только одно частично пропускающее зеркало - то, через которое излучение лазера заводится в высокодобротный резонатор. Кроме того, дополнительное увеличение эффективности нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе достигается за счет использования в волоконном лазере поддерживающего поляризацию излучения усиливающего волокна и поляризатора, обеспечивающих линейную поляризацию лазерного излучения. Уменьшение временной нестабильности интенсивности преобразованного излучения достигается за счет частичной связи конфигураций двух резонаторов - часть высокодобротного резонатора является частью линейного резонатора лазера.
Необходимо отметить, что ни одно отдельно взятое устройство не дает такого эффекта, какой дает совокупность заявленных признаков. До подачи данной заявки было неочевидно, что совокупность заявленных признаков позволит решить задачу увеличения мощности излучения лазера и увеличения эффективности нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе, а также задачу уменьшения временной нестабильности интенсивности преобразованного излучения.
Сущность изобретения поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе: 1 - источник излучения накачки, 2 - спектрально-селективный отражающий элемент, 3 - волоконный модуль спектрального сведения, 4 - поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, 5 - торец волокна линейного резонатора, 6 - коллимирующий оптический элемент, 7 - поляризатор, 8 - фокусирующий оптический элемент, 9 - входное зеркало высокодобротного резонатора, 10 - дихроичное зеркало высокодобротного резонатора, через которое преобразованное излучение 14 выходит из высокодобротного резонатора, 11 - нелинейный оптический кристалл, 12 - просветленная рабочая поверхность нелинейного оптического кристалла, 13 - высокодобротный резонатор, 15, 16 - зеркала высокодобротного резонатора, полностью отражающие излучение лазера.
На фиг. 2 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, состоящем из двух зеркал 9, 10 и призмы 17.
На фиг. 3 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, состоящем из двух зеркал 9 и 10.
На фиг. 4 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе с нелинейным оптическим элементом, имеющем вторую поверхность, ориентированую под углом Брюстера относительно пучка лазерного излучения.
На фиг. 5 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента волоконной брэгговской решетки.
На фиг. 6 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента объемной дифракционной решетки. Заведение излучения на объемную дифракционную решетку производится через волоконный торец 18 линейного резонатора, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, и коллимирующий элемент 6.
На фиг. 7 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента призмы в сочетании с отражающим зеркалом. Призма оптически связана с линейным резонатором через волоконный торец 18, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, и коллимирующий элемент 6.
На фиг. 8 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента призмы Литтрова. Призма Литтрова оптически связана с линейным резонатором лазера через волоконный торец 18, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, и коллимирующий элемент 6.
На фиг. 9 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве накачки рамановского лазера, образованного рамановским усиливающим волокном 4 и двумя волоконными брэгговскими решетками 19, образующими резонатор рамановского лазера.
На фиг. 10 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13, содержащем два нелинейных кристалла 11 и 20, расположенных в перетяжках излучения между зеркалами 9-15 и 16-10. С этой схемой используются два дихроичных зеркала 15 и 10, позволяющих вывести из высокодобротного резонатора два пучка преобразованного излучения 14 и 21. Один кристалл может осуществлять преобразование излучения лазера во вторую гармонику, второй - осуществлять параметрическое преобразование спектра излучения лазера. В этой схеме выходным зеркалом линейного резонатора волоконного лазера служит ближайшая к усиливающему волокну просветленная рабочая поверхность нелинейного оптического кристалла, расположенного между зеркалами 9 и 15.
На фиг. 11 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе, содержащем нелинейный кристалл 11 с двумя рабочими брюстеровскими поверхностями и оптический элемент 24 с плоской просветленной рабочей поверхностью 12.
Работает устройство следующим образом.
Излучение накачки, генерируемое источником 1 оптического излучения накачки, через волоконный модуль спектрального сведения 3 попадает в усиливающее волокно 4, переводя усиливающую среду лазера в активное состояние; генерация лазера осуществляется в линейном резонаторе, зеркалами которого являются: спектрально-селективный отражающий элемент 2 и просветленная рабочая поверхность 12 нелинейного оптического кристалла 11, расположенного в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе 13; излучение от усиливающего волокна 4 попадает в высокодобротный резонатор 13 через торец волокна линейного резонатора 5, коллимирующий оптический элемент 6, поляризатор 7 и фокусирующий оптический элемент 8, служащий для согласования мод линейного и высокодобротного резонаторов. В качестве коллимирующего и фокусирующего элементов могут быть использованы как линзы, так и объективы. Отражающие поверхности поляризатора 7 наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса для того, чтобы излучение, отраженное от поверхностей поляризатора, не попадало назад в резонатор лазера. Выходное излучение лазера, проходя просветленную рабочую поверхность 12 нелинейного оптического кристалла 11, оказывается "запертым" в высокодобротном резонаторе 13, зеркала которого 15, 16 и 10 полностью отражают излучение лазера. Потери излучения лазера в резонаторе 13 определяются, в основном, пропусканием входного зеркала 9, имеющем значение в диапазоне 1-5%. Высокая добротность резонатора 13 позволяет существенно увеличивать в нем интенсивность лазерного излучения и значительно увеличивать эффективность нелинейного преобразования частот излучения в нелинейном кристалле 11. Спектрально-преобразованное излучение 14 выходит из высокодобротного резонатора через дихроичное зеркало 10, полностью отражающего излучение лазера и пропускающего преобразованное излучение. Для обеспечения линейной поляризации излучения волоконного лазера используется поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно 4 и поляризатор 7. Торец волокна линейного резонатора 5 не отражает излучение лазера назад в это волокно за счет того, что имеет или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). Использование спектрально-селективного элемента 2 в резонаторе волоконного лазера позволяет сузить спектр излучения лазера для того, чтобы ширина спектра излучения лазера не превышала спектральную ширину синхронизма нелинейного кристалла 11, это позволяет нелинейно преобразовывать весь спектр излучения лазера.
При использовании в качестве спектрально-селективных отражающих элементов объемных (не волоконных) элементов, излучение из усиливающего волокна выводится через торец 18, также не отражающий излучение лазера назад в это волокно за счет того, что имеет или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). При использовании призмы Литтрова, дифракционной решетки и пары "призма и отражающее зеркало" перестройка длины волны излучения лазера производится поворотом призмы или решетки.
Использование в качестве спектрально-селективного отражающего элемента волоконной брэгговской решетки с наклонными штрихами позволяет увеличить коэффициент поляризации излучения, так как волоконная брэгговская решетка с наклонными штрихами является поляризатором с высокой степенью поляризации излучения (X.P. Cheng et al. Tunable single polarization Yb3+- doped fiber ring laser by using intracavity tilted fiber Bragg grating. Proc. SPIE, v. 7134, 71342V (2008)).
В четырехзеркальном высокодобротном резонаторе с оптическим элементом 23 выходным зеркалом линейного резонатора лазера является плоская просветленная поверхность оптического элемента, перпендикулярная лучу лазера. При этом нелинейный кристалл имеет рабочие поверхности, ориентированные под углом Брюстера, для минимизации потерь излучения при прохождении рабочих поверхностей нелинейного кристалла.
Экспериментальная апробация предложенной схемы волоконного лазера с удвоением частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе, представленной на фиг. 7, продемонстрировала следующие результаты: при использовании легированного иттербием усиливающего волокна максимальная выходная мощность лазера на длине волны 536 нм составила 800 мВт при мощности излучения накачки 6 Вт на длине волны 976 нм, диапазон перестройки длины волны излучения: 521-545 нм при мощности выходного излучения на краях рабочего спектрального диапазона 420 и 220 мВт соответственно, нестабильность интенсивности излучения второй гармоники была не более 1% (среднеквадратичная величина). Ширина спектра фундаментального излучения (0,5 нм) не превышала спектральной ширины синхронизма (1,8 нм) нелинейного оптического кристалла LBO, используемого в режиме некритического синхронизма.