СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ И СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
METHOD AND DEVISE FOR STABILIZING OPTICAL POWER AND SPECTRAL COMPOSITION OF RADIATION OF FIBRE LASER OF ULTRASHORT PULSES

Область техники
Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к  импульсным кольцевым волоконным лазерам с пассивной синхронизацией мод на эффекте нелинейной эволюции поляризации, и предназначено для обеспечения устойчивой генерации лазерных импульсов фемто-пикосекундного диапазона.
Уровень техники
Твердотельные фемтосекундные лазеры успешно применяются для многих практических целей, для решения научных и прикладных задач. По сравнению с аналогичными твердотельными лазерами на объемных элементах, волоконные более компактны, технологичны в сборке, надежны и более эффективны.
Особое внимание заслуживают волоконные лазеры с пассивной синхронизацией на эффекте нелинейной эволюции поляризации в схеме кольцевого резонатора, содержащего поляризующий оптический изолятор и, по меньшей мере, один оптический, управляемый электронно, поляризационный контроллер волоконного типа. Преимуществами лазеров этого типа являются:
- Относительная простота конструкции;
- Большой набор режимов работы в зависимости от параметров резонатора, различающихся частотой следования импульсов (в радиочастотном диапазоне - определяется длиной резонатора), длительностью оптического импульса и его энергией;
- Возможность получения ультракоротких импульсов ~100 фс с широкополосным спектром излучения в области фундаментальных оптических переходов на длинах волн 1,06 мкм (активный элемент иттербий), 1,55 мкм (активный элемент эрбий), 1,9 мкм (активный элемент тулий);
- Лазер является самостартующим.
Однако данный тип лазера имеет один важный недостаток - чувствительность к внешним воздействиям и, как следствие, - потеря устойчивой генерации. Это связано с изменением состояния поляризации излучения из-за возникновения наведенного двулучепреломления в оптическом волокне при его изгибах либо давлении на него. При настройке лазера состояния контроллеров поляризации подбираются таким образом, чтобы суммарное двулучепреломление элементов кольцевого резонатора лазера обеспечивало малые потери при распространении ультракороткого импульса. Если же некоторые внешние воздействия, температура и/или деформация изменят фазовые соотношения поляризационных компонент в резонаторе, то оптические потери могут возрасти, а режим синхронизации мод сорвется. Поэтому устойчивость режима синхронизации мод в таких резонаторах зависит от организации системы обратной связи и от принципов ее работы, основанной на электронном управлении оптическими контроллерами поляризации.
В изобретении US 7477665 В2 предлагается способ и устройство волоконного кольцевого импульсного лазера с синхронизацией мод для генерации ультракоротких импульсов. Однонаправленный кольцевой резонатор лазера содержит активное волокно, легированное, например, эрбием, с внешним возбуждением оптической накачкой через WDM-мультиплексор 980/1550 нм, два оптических контроллера поляризации и поляризующий изолятор между этими контроллерами. Отводится излучение из резонатора через оптический ответвитель, часть отведенного излучения поступает на фотодиод и далее преобразуется в электрические радиочастотные сигналы:
- в постоянный сигнал (в промежутке между импульсами при наличии импульсной генерации), который отвечает режиму непрерывной оптической генерации с узкой спектральной линией лазерного излучения на фундаментальной длине волны, для эрбиевого активного волокна это около 1550 нм,
- в переменный сигнал, который отвечает импульсной генерации на основной частоте следования импульсов (равной обратному времени обхода светом кольцевого резонатора) в диапазоне 20-100 Мгц с шириной спектра около 20 нм и длительностью импульса около 200 фс.
- в релаксационный сигнал, который отвечает наличию импульсного режима и присутствует благодаря ему в радиочастотном спектре на частотах 10-500 кГц и также зависит от наличия постоянного сигнала.
Внешняя электронная схема управления анализирует наличие трех указанных сигналов и изменяет поляризационное состояние, по меньшей мере, одного из оптических контроллеров поляризации таким образом, чтобы отсутствовал постоянный сигнал, присутствовали лишь переменный сигнал и релаксационный, причем оптимально релаксационный сигнал не должен изменятся, а поскольку он коррелирует с переменным сигналом, то авторы изобретения утверждают, что достигают устойчивой импульсной генерации лазерного излучения в фемтосекундном диапазоне длительностей. Данное изобретение не позволяет осуществлять точную настройку режима импульсной генерации с заданным положением спектра по шкале длин волн в области фундаментальной лазерной частоты кольцевого резонатора, а также выполнять подстройку ширины спектра, а значит и длительность лазерного импульса.
Аналогичное техническое решение осуществляется в изобретении KR 20120058275, но автоматическая обратная связь организована на основе обработки не полного оптического спектра импульса лазерного излучения, а его части, удаленной по спектру от линии фундаментального излучения настолько, что она не попадает в полосу пропускания полосового оптического фильтра на входе фотоприемника системы обратной связи. Данное техническое решение также не позволяет осуществлять точную настройку режима импульсной генерации с заданным положением спектра по шкале длин волн в области фундаментальной лазерной частоты кольцевого резонатора и выполнять подстройку ширины спектра, а значит и длительность лазерного импульса.
Настоящее изобретение свободно от указанных выше недостатков и объединяет принципы автоматического регулирования режима импульсной генерации путем регистрации излучения отведенного за пределы кольцевого резонатора с полным оптическим спектром и его частью, что позволяет осуществлять более точную настройку режима импульсной генерации с заданным положением спектра по шкале длин волн в области фундаментальной лазерной частоты кольцевого резонатора, а также выполнять подстройку ширины спектра, а значит и длительность лазерного импульса.
Описание изобретения
Целью изобретения является достижение устойчивой генерации ультракоротких лазерных импульсов за счет осуществления точной настройки режима импульсной генерации кольцевого волоконного лазера с заданным спектральным составом излучения ультракороткого импульса в области фундаментальной лазерной частоты кольцевого резонатора путем выполнения автоматической подстройки ширины спектра, а значит и длительности лазерного импульса при контролируемой средней мощности генерации импульсного лазерного излучения. Как известно из фундаментальных соотношений, длительность импульса и ширина его оптического спектра связаны обратной зависимостью: чем короче импульс, тем шире его спектр.
0
0
0
0
PC1
PC2
Указанная цель достигается сравнением полного оптического спектра импульса излучения и его частичного спектра из области боковых оптических частот за пределами частоты фундаментальной непрерывной генерации в схеме (Фиг. 1) с кольцевым волоконным лазером 10 с пассивной синхронизацией мод поляризующим оптическим изолятором 1, с активным волокном 2, накачиваемым лазерным диодом 3, и двумя управляемыми от микроконтроллера оптическими волоконными поляризационными контроллерами 4 и 5. Устойчивость режима импульсной генерации достигают за счет повышения стабильности генерации ультракоротких импульсов с широкополосным спектром излучения путем организации автоматической обратной связи под управлением микроконтроллера 6. Для чего сопоставляют измеренные оптические мощности двух спектров - полного 7 - Р1 и его боковой части 8, после оптической фильтрации - Р2 за пределами фундаментальной спектральной линии. Сравнение ведется с предварительно измеренными микроконтроллером эталонными значениями P1 и Р2. При отклонении текущих значений мощностей Р1 и Р2 от эталонных P1 и Р2 микроконтроллер вырабатывает управляющие электрические сигналы 9, U и 11, U для управляющего устройства (драйвера) 12 (12′) оптических волоконных поляризационных контроллеров 4 и 5, которые и обеспечивают минимальные отклонения мощностей в измерительных каналах от эталонных значений, чем и достигают стабильную оптическую мощность импульсной генерации широкополосного спектра и устойчивость следования импульсов.
PC
Как правило, контроллер поляризации с электронным управлением представляет собой две либо три фазовые пластинки, оптическая толщина которых определяется прикладываемым к нему сигналом (тремя напряжениями либо тремя токами). Каждый волоконный поляризационный контроллер FPC1 или FPC2 может быть выполнен, например, как контроллер на основе волокна, поддерживающего поляризацию излучения. Поляризация управляется драйвером токов 12, током I и содержит три отдельных токовых канала управления, им отвечают три отдельных волоконных участка с регулируемой температурой каждого посредством резистивного нагревателя.
LD
Запуск импульсного режима генерации осуществляется при накачке через оптический ввод 13 активного волокна 2 излучением лазерного диода 3 при возбуждении его током I по команде микроконтроллера 6. При этом методом случайных чисел выбираются шесть токов управления поляризационных контроллеров (по три для каждого) до тех пор, пока не осуществится импульсная генерация ультракоротких импульсов. Об этом судят из анализа частей отведенного излучения по трем оптическим волокнам 14-16 на оптическом разветвителе 17, соединенного волокном с оптическим ответвителем 18.
P1
P2
0P1
0P2
0
0
P1
P2
0P1
0P2
При выборе импульсного режима генерации к выходному волокну 14 подключают оптический анализатор спектра 19 (OSA) и убеждаются в отсутствии узкой линии непрерывного фундаментального излучения (для эрбиевого оптического перехода - длина волны 1,55 мкм) и присутствии характерного широкополосного спектра излучения 7 ультракороткого импульса, такого же, как и в волоконном канале 15 (без оптической фильтрации). Оптоэлектронный преобразователь 20 преобразует подведенное к нему по волокну 15 импульсное оптическое излучение и формирует на выходе постоянное напряжение U, пропорциональное средней входной импульсной оптической мощности, и последовательность электрических импульсов 21, которые поступают в микроконтроллер (MC) 6 посредством а.ц.п. 22 и дискретного входа F для подсчета числа импульсов. Параллельно по волокну 16 излучение поступает через оптический полосовой фильтр 23 на другой оптоэлектронный преобразователь 24, который преобразует импульсное оптическое излучение в постоянное напряжение U, пропорциональное его средней мощности и вводится в MC через а.ц.п. 25. Микроконтроллер запоминает выбранные эталонные значения напряжений U и U, отвечающие эталонным оптическим средним мощностям P1 и Р2 на входах соответствующих оптоэлектронных преобразователей 20 и 24. Далее MC управляет токами оптических контроллеров таким образом, чтобы отклонения текущих значений выходных напряжений с оптоэлектронных преобразователей 20 и 24, U и U от их эталонных значений U и U соответственно, были минимальными.
Таким образом, в изобретении предлагается:
Способ стабилизации оптической мощности и спектрального состава широкополосного спектра излучения волоконного импульсного лазера ультракоротких импульсов, выполненного по кольцевой схеме резонатора с пассивной синхронизацией мод, содержащей последовательно в кольце:
- оптический участок активного волокна с возбуждением излучением от внешнего, по отношению к резонатору, источника оптической накачки через волоконный оптический ввод для ввода излучения накачки,
- оптический участок пассивного волокна с оптическим ответвителем для отвода части излучения за пределы кольцевого резонатора по волокну с оптическим разветвителем, по меньшей мере, по трем разветвляющим выходным оптическим волоконным каналам,
- первый управляемый оптический волоконный контроллер поляризации с управлением от микроконтроллера,
- оптический однонаправленный волоконный поляризационный изолятор,
- второй управляемый оптический волоконный контроллер поляризации с управлением от микроконтроллера,
- первый пигтелированный волокном оптоэлектронный преобразователь, регистрирующий первую часть выходного излучения с первого канала оптического разветвителя,
- второй пигтелированный волокном оптоэлектронный преобразователь с полосовым оптическим фильтром на входе, пропускающим часть широкополосного спектра излучения, для регистрации второй части выходного излучения со второго канала оптического разветвителя,
- третий оптический канал разветвителя для доставки третьей части оптического излучения к потребителю (анализатору спектра),
в котором указанная стабилизация достигается за счет организованной оптоэлектронной обратной связи на основе программируемого микроконтроллера, который циклически принимает посредством имеющихся у него а.ц.п. выходные сигналы напряжений с первого и второго оптоэлектронного преобразователя, а после сравнения их значений с фиксированными ранее эталонными значениями и при их отклонении от этих эталонных значений микроконтроллер вырабатывает с помощью цифроаналоговых преобразователей рассчитанные в реальном времени управляющие электрические сигналы для каждого волоконного контроллера поляризации таким образом, чтобы отклонения выходных напряжений оптоэлектронных преобразователей от эталонных значений, отвечающих исходному виду широкополосного оптического спектра излучения, были сведены к минимуму, в результате чего широкополосный спектр приходит к исходному состоянию, а генерация ультракоротких импульсов становится устойчивой.
Предпочтительно в способе использовать лазерный диод как внешний источник оптической накачки, для накачки активного волокна и возбуждения генерации широкополосного импульсного излучения в кольцевом резонаторе.
Предпочтительно в способе длительность ультракоротких импульсов обеспечивать в фемто-пикосекундном диапазоне, а частоту их следования задавать длиной кольцевого резонатора, для типичных случаев и она лежит в пределах 10-100 МГц.
Предпочтительно в способе в качестве активного оптического волокна использовать волокна, содержащие в качестве лазерных центров примеси ионов редкоземельных и/или переходных металлов.
Предпочтительно в способе обеспечивать ширину спектра по уровню -3 дБ в пределах 10-30 нм в области фундаментального излучения кольцевого резонатора.
Предпочтительно в способе использовать полосовой оптический фильтр с полосой пропускания около 2-3 нм.
Предпочтительно в способе, чтобы каждый оптоэлектронный преобразователь преобразовывал последовательность импульсных оптических сигналов отведенного лазерного излучения в сигнал постоянного напряжения с амплитудой пропорциональной оптической мощности импульсного излучения.
Предпочтительно в способе, чтобы любой из оптоэлектронных преобразователей преобразовывал ультракороткие импульсные оптические сигналы отведенного лазерного излучения в дискретные электронные сигналы для подсчета их числа микроконтроллером.
Предпочтительно в способе, чтобы управляющие электрические сигналы (ток и/или напряжение) для оптических контроллеров поляризации формировались микроконтроллером таким образом, чтобы минимизировать их возможные приращения.
Предпочтительно в способе, чтобы для стабилизации оптической мощности и спектрального состава импульсного излучения при их отклонении от фиксированных исходных значений использовали два и более полосовых оптических фильтра пропускания в разных участках оптического широкополосного спектра импульсного лазерного излучения.
Также в изобретении предлагается устройство для реализации указанного способа:
Устройство для стабилизации оптической мощности и спектрального состава широкополосного спектра излучения волоконного ультракороткого импульсного лазера, выполненного по кольцевой схеме резонатора с пассивной синхронизацией мод, содержит последовательно в кольце:
оптический участок активного волокна с возбуждением излучением от внешнего, по отношению к резонатору, источника оптической накачки через волоконный оптический ввод для ввода излучения накачки,
- оптический участок пассивного волокна с оптическим ответвителем для отвода части выходного излучения за пределы кольцевого резонатора по волокну с оптическим разветвителем, по меньшей мере, по трем разветвляющим оптическим волоконным каналам,
- первый управляемый оптический волоконный контроллер поляризации с управлением от микроконтроллера,
- оптический однонаправленный волоконный поляризационный изолятор,
- второй управляемый оптический волоконный контроллер поляризации с управлением от микроконтроллера,
- первый пигтелированный волокном оптоэлектронный преобразователь, регистрирующий первую часть отведенного выходного излучения с первого канала оптического разветвителя,
- второй пигтелированный волокном оптоэлектронный преобразователь с полосовым оптическим фильтром на входе, пропускающим часть широкополосного спектра, для регистрации второй части выходного излучения со второго канала оптического разветвителя,
- третий оптический канал разветвителя для доставки третьей части оптического излучения к потребителю (анализатору спектра),
в котором организована автоматическая оптоэлектронная обратная связь на основе программируемого микроконтроллера, который циклически принимает посредством имеющихся у него а.ц.п. выходные сигналы напряжений с первого и второго оптоэлектронного преобразователя, а после сравнения их значений с фиксированными ранее эталонными значениями и при их отклонении от этих эталонных значений микроконтроллер вырабатывает с помощью цифроаналоговых преобразователей рассчитанные в реальном времени управляющие электрические сигналы для каждого волоконного контроллера поляризации таким образом, чтобы отклонения выходных напряжений оптоэлектронных преобразователей от эталонных значений, отвечающих исходному виду широкополосного оптического спектра излучения, были сведены к минимуму, в результате чего широкополосный спектр приходит к исходному состоянию, а генерация ультракоротких импульсов становится устойчивой.
Предпочтительно в устройстве использовать лазерный диод как внешний источник оптической накачки, для накачки активного волокна и возбуждения генерации широкополосного импульсного излучения в кольцевом резонаторе.
Предпочтительно в устройстве обеспечивать длительность ультракоротких импульсов, которая находится в фемто-пикосекундном диапазоне, а частота их следования определяется длиной кольцевого резонатора и лежит в пределах 10-100 МГц.
Предпочтительно в устройстве в качестве активного оптического волокна использовать волокна, содержащие в качестве лазерных центров примеси ионов редкоземельных и/или переходных металлов.
Предпочтительно в устройстве обеспечить условия генерации, когда ширина спектра по уровню -3 дБ лежит в пределах 10-30 нм в области фундаментального излучения кольцевого резонатора.
Предпочтительно в устройстве использовать полосовой оптический фильтр с полосой пропускания около 2-3 нм.
Предпочтительно в устройстве, чтобы каждый оптоэлектронный преобразователь преобразовывал последовательность импульсных оптических сигналов отведенного лазерного излучения в сигнал постоянного напряжения с амплитудой пропорциональной оптической мощности импульсного излучения.
Предпочтительно в устройстве, чтобы любой из оптоэлектронных преобразователей преобразовывал ультракороткие импульсные оптические сигналы отведенного лазерного излучения в дискретные электронные сигналы за счет имеющегося в нем компаратора для ввода числа импульсов в микроконтроллер для их подсчета.
Предпочтительно в устройстве, чтобы управляющие электрические сигналы (ток и/или напряжение) для оптических контроллеров поляризации формировались микроконтроллером таким образом, чтобы минимизировать их возможные приращения.
Предпочтительно в устройстве, чтобы для стабилизации оптической мощности и спектрального состава импульсного излучения при их отклонении от фиксированных исходных значений использовали два и более полосовых оптических фильтра пропускания в разных участках оптического широкополосного спектра импульсного лазерного излучения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - блок-схема оптического генератора ультракоротких импульсов.
1 - поляризующий изолятор,
2 - активное волокно,
3 - устройство накачки на основе лазерного диода,
4, 5 - волоконный оптический контроллер поляризации,
6 - микроконтроллер,
7 - полный широкополосный оптический спектр (без оптической фильтрации),
8 - частичный широкополосный спектр (после оптической фильтрации),
9 - входное волокно для накачки активного волокна,
10 - общий вид устройства,
11, 11′ - управляющие сигнал для драйверов токов контроллеров,
12, 12′ - драйвер токов волоконного оптического контроллера поляризации,
13 - оптический ввод - WDM-мультиплексор, например 980/1550 нм.
14-16 - три волоконных оптических канала,
17 - оптический разветвитель,
18 - оптический ответвитель,
19 - оптический анализатор спектра (OSA),
20, 24 - оптоэлектронный преобразователь,
21 - последовательность электрических дискретных импульсов,
22, 25 - аналого-цифровой преобразователь (а.ц.п.),
23 - волоконный оптический фильтр с полосовым пропусканием 2-3 нм,
SM - одномодовое оптическое волокно.
Пример осуществления изобретения.
Для осуществления изобретения было собрано устройство в соответствии с Фиг. 1.
В устройстве использовали:
- В качестве активного волокна 2 - одномодовое оптическое волокно фирмы Nufern, легированное эрбием (EDFC-980-HP), длиной 1,8 м.
- Волокно в кольцевом резонаторе SM - тип SMF28.
- Волоконный контроллер поляризации фирмы Phoenix Photonics PSC-15-0-0.
- Волоконный поляризующий изолятор фирмы IPG/ИРЭ-Полюс.
- WDM - 980/1550 нм.
- 10% ответвитель 18 для вывода излучения из резонатора.
- 1%-ные ответвители 15, 16.
- Оптоэлектронные преобразователи на основе InGaAs фотодиода.
- Лазерный диод накачки на длине волны 980 нм.
- волоконный оптический фильтр 23 на длине волны 1567 нм с полосой пропускания 3 нм.
- Микроконтроллер серии C8051F125.
Самосинхронизацию мод осуществляли за счет эффекта нелинейного вращения поляризации в активном волокне под воздействием излучения накачки подбором накачки и управляющих сигналов на контроллерах поляризации.
Устройство обеспечило устойчивую работу после калибровки под управлением микроконтроллера. Частота следования ультракоротких импульсов - 25 МГц, ширина стабилизируемого спектра в области в области фундаментального излучения эрбиевого волокна на длине волны 1,55 мкм составляла около 19 нм при мощности накачки 150-200 мВт.
Промышленное применение
Изобретение может быть использовано в лазерной промышленности, медицине, в спектроскопии, в оптических линиях связи, а также для решения разнообразных фундаментальных и прикладных задач. Везде, где требуются повышенные требования к стабильной, устойчивой генерации ультракоротких импульсов фемтосекундного диапазона с широким спектром лазерного излучения заданной ширины и мощности.