АКТИВНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ И СЕРДЦЕВИНОЙ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптическим элементам, а именно, к световодам на основе оптического волокна с многослойной сердцевиной или оболочкой, и может быть использована в волоконных лазерах и усилителях, получивших широкое распространение во многих областях промышленности, медицины и науки.
Известен, выбранный в качестве прототипа, активный волоконный световод (патент US 8433168 В2; МПК: G02B 6/036; 30.04.2013). Световод (точнее, секция такого световода) содержит сердцевину с первым показателем преломления, причем сердцевина является активной, внутренний слой оболочки со вторым показателем преломления для распространения излучения накачки, причем упомянутый второй показатель преломления меньше указанного первого показателя преломления и внешний слой оболочки с третьим показателем преломления вокруг упомянутого внутреннего слоя оболочки, причем упомянутый третий показатель преломления меньше, чем второй показатель преломления. Диаметр сердцевины и толщина внутренней оболочки изменяются постепенно по длине активного волоконного световода, образуя конический продольный профиль, обеспечивающий непрерывный процесс преобразования по длине участка волокна и конической сердцевины, поддерживающий многомодовую работу на более толстом конце секции волокна. Конический продольный профиль активного волоконного световода выбирается из группы профилей, включающей профиль, соответствующий степенной функции, экспоненциальный профиль и сочетание этих профилей.
Недостатками данного активного волоконного световода являются значительно меняющийся по длине внешний диаметр световода, который существенно усложняет процесс нанесения на него светоотражающего и защитного покрытия, в том числе и покрытия из металла, а также требует применения специальных низкоаппертурных источников накачки и исключает обеспечение равноэффективной накачки с обоих торцов световода. Также, различие диаметров на торцах волокна затрудняет его согласование с другими волокнами устройств. Кроме того, по причине постоянного по длине световода соотношения диаметров оболочки и сердцевины, удельный коэффициент поглощения излучения накачки данного световода также постоянен по длине световода, поэтому без принятия специальных дополнительных мер, коэффициент усиления в части световода с большим диаметром будет существенно меньше, чем в части световода с меньшим диаметром.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в обеспечении равномерного по длине коэффициента усиления и оптимизации таких параметров, как распределение по длине световода коэффициента поглощения и апертуры накачки и обеспечение возможности равноэффективной накачки с обоих торцов световода, в упрощении процесса нанесения на активный волоконный световод светоотражающего и защитного покрытия, в том числе и покрытия из металла для его использования в условиях агрессивной среды.
Технический результат достигается тем, что активный волоконный световод с двойной оболочкой и сердцевиной переменного сечения, содержащий сердцевину с первым показателем преломления, внутренний слой оболочки со вторым показателем преломления для распространения излучения накачки, причем второй показатель преломления меньше указанного первого показателя преломления и внешний отражающий слой оболочки с третьим показателем преломления вокруг внутреннего слоя оболочки, причем упомянутый третий показатель преломления меньше, чем второй показатель преломления. При этом сердцевина легирована, в том числе и активными добавками, и служит для распространения, генерации и усиления лазерного излучения. Диаметр сердцевины и толщина внутренней оболочки изменяются постепенно по длине световода, образуя требуемый для одномодового режима продольный профиль сердцевины. При этом внутренний и внешний слои оболочки выполнены с постоянным наружным диаметром.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена секция заявляемого волоконного световода с двойной оболочкой и сердцевиной переменного сечения, где: 1 - сердцевина световода, 2 - внутренний слой оболочки, 3 - внешний отражающий слой оболочки. Защитная оболочка световода на рисунке не показана. На рисунке показан, как один из вариантов, световод с коническим продольным профилем сердцевины.
Как представлено на рисунке, активный волоконный световод содержит сердцевину световода 1 с первым показателем преломления. При этом сердцевина легирована активными добавками и служит для распространения, усиления и генерации лазерного излучения. Внутренний слой оболочки 2 световода имеет второй показатель преломления и служит для распространения излучения накачки, причем второй показатель преломления меньше указанного первого показателя преломления. Внешний отражающий слой оболочки 3 с третьим показателем преломления выполнен вокруг внутреннего слоя оболочки, причем третий показатель преломления меньше, чем второй показатель преломления.
Как показано на рисунке, диаметр сердцевины световода 1 и толщина внутреннего слоя оболочки 2 изменяются постепенно по длине световода. На рисунке показан, как пример, световод с коническим продольным профилем сердцевины. При этом понятно, что продольный профиль сердцевины может быть выбран из различных групп профилей, включающих, в том числе, группы профилей, соответствующие степенной функции, экспоненциальный профиль, сочетание этих профилей и т.д. Внутренний слой 2 и внешний отражающий слой 3 оболочки выполнены с постоянным наружным диаметром.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На специализированной установке для вытяжки волоконных световодов был изготовлен активный волоконный световод с двойной оболочкой и сердцевиной переменного сечения. Сердцевина легирована, в том числе ионами иттербия. Первый внутренний слой оболочки изготовлен из нелегированного кварцевого стекла марки Heraeus F-300, его диаметр поддерживался равным 400 мкм. Второй отражающий слой оболочки был получен путем полимеризации ультрафиолетовым светом жидкой полимерной композиции Luvantix EFIRON PC-373LD. Композит наносился на световод слоем толщиной около 50 мкм стандартным апликатором открытого типа с фильерой диаметром 600 мкм и отверждался лампой Phoseon FireEdge FE200 непосредственно во время вытяжки. Внешний диаметр полученного волоконного световода составил 500 мкм, диаметр внутренней отражающей оболочки (по кварцу) получился около 400 мкм, диаметр сердцевины на толстом конце - 50 мкм и на тонком - 14 мкм, что соответствовало одномодовому режиму распространения излучения. Длина полученного волоконного световода составила 10 метров, кратность изменения площади поперечного сечения сердцевины более 10, профиль диаметра сердцевины близок к адиабатическому. Поглощение излучения накачки 980 нм более 25 дб.
Конструктивные особенности заявляемого активного волоконного световода обеспечивают возможность осуществления равноэффективной накачки с обеих торцов световода, поскольку, в отличие от прототипа, полученный световод по оптическим и геометрическим параметрам с обоих концов полностью согласован с типичными промышленными накачными устройствами. При этом выполнение внутреннего слоя и внешнего отражающего слоя оболочки с постоянным наружным диаметром исключает увеличение угла расходимости или апертуры при распространении излучения накачки и, как следствие, позволяет максимально снизить потери на высвечивание, При этом, поскольку коэффициент поглощения излучения накачки так же, как и удельный объем активной сердцевины, изменяется по длине световода пропорционально площади поперечного сечения сердцевины, достигается более равномерный по длине коэффициент усиления. Постоянство по длине внешнего диаметра световода позволяет также упростить процесс нанесения на активный волоконный световод светоотражающего и защитного покрытия, в том числе и покрытия из металла.
Таким образом, существенные признаки данной полезной модели позволяют в полной мере обеспечить достижение заявленного технического результата.