ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ СТАБИЛИЗАТОРА ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО
OPTICAL ELEMENT OF STABILIZER OF FOCUS OF RADIATION IN OPTICAL FIBER

Предлагаемое техническое решение относится к области квантовой электроники, а именно, к оптическим элементам, предназначенным для обеспечения точного ввода фокусируемого излучения в оптическое волокно.
В последнее время одним из распространенных направлений применения лазерных технологий является лазерная обработка материалов: сверление, резка, гравировка, сварка и т.д. В условиях промышленного производства присутствуют разного вида вибрации и шумы, которые приводят к отклонению лазерного излучения от рабочего положения. Известны способы детектирования и автоматической стабилизации таких отклонений.
Известны устройства стабилизации лазерного излучения, которые основаны на фотодетекторах напрямую US 4520261 А, через зеркала JPS 63171283 А и JP 2000094172 А. Также известны устройства, основанные на сгорающих нитях, JPS 645689 А и JPS 6188992 А. Все эти устройства обладают невысокой точностью и предназначены для стабилизации несфокусированных лазерных излучений. Устройства по JPS 645689 А и JPS 6188992 А позволяют только обнаружить отклонение, но не дают информацию о фактическом положении фокуса оптической системы для реализации непрерывной обратной связи с целью корректировки положения фокуса.
Известно многосерцевинное волокно JP 2015001673 и сборки из оптических волокон CN 104898214 A, US 6493485 В1 и US 7406227 В2, которые могли быть применимы для решения задачи стабилизации лазерного излучения, но большое расстояние между сердцевинами волокна или волокон в сборке (не менее 50 мкм) не позволяет достичь высокой точности. Кроме того, сплавление волноводов, применяемое в техническом решении CN 104898214 А, может отрицательно повлиять на оптические свойства центрального волокна.
Известно перманентное изменение показателя преломления оптического материала с помощью ультракоротких лазерных импульсов (K. М. Davis et al., Opt. Lett. 21, 1729-1731, 1996). Известны методы создания различных видов разветвителей и ответвителей WO 2008025076 A1, US 2016054522 A1, US 2010178007 А1 на основе данной технологии. Описанные разветвители служат лишь для разделения или объединения мощности и одного волновода в несколько, а также для реализации переходов типа многосерцевидное волокно - ряд односердцевинных волокон. Однако большое расстояние между сердцевинами волноводов (не менее 50 мкм) не позволяет использовать данные ответвители в качестве элемента стабилизации в силу того, что они не могут обеспечить высокой точности детектирования отклонения сфокусированного луча.
Задачей изобретения является создание оптического элемента стабилизатора фокусировки излучения в оптическое волокно, позволяющего контролировать точность ввода лазерного излучения в оптическое волокно с высоким разрешением.
Для решения поставленной задачи оптический элемент стабилизатора фокусировки излучения в оптическое волокно из единого образца объемного твердотельного оптического материала, содержащий центральный оптический волновод с оболочкой из микроструктур с пониженным относительно оптического материала показателем преломления, сформированных в объеме оптического материала перманентным изменением показателя преломления под действием ультракоротких лазерных импульсов, и по меньшей мере три детектирующих оптических волновода с оболочками из микроструктур с пониженным относительно оптического материала показателем преломления, сформированных в объеме оптического материала перманентным изменением показателя преломления под действием ультракоротких лазерных импульсов, входы детектирующих оптических волноводов расположены вокруг и вплотную к входу центрального оптического волновода, выходы детектирующих оптических волноводов разнесены относительно выхода центрального оптического волновода и друг относительно друга так, что выход центрального оптического волновода может быть согласован с указанным оптическим волокном, выходы детектирующих оптических волноводов могут быть согласованы со стандартными волокнами, на концах которых могут быть установлены измерительные датчики, или на выходах детектирующих волноводов могут быть установлены измерительные датчики, детектирующие оптические волноводы расположены так, что оптической перекачки излучения между детектирующими оптическими волноводами, между детектирующими оптическими волноводами и центральным волноводом не происходит, либо указанная перекачка происходит четное количество раз, диаметр сердцевины центрального оптического волновода и максимальные поперечные размеры сердцевин детектирующих оптических волноводов составляют от 7 мкм до 200 мкм. Внутри образца твердого оптического материала создаются центральный волновод для сигнального излучения и по меньшей мере три детектирующих оптических волновода вокруг центрального для перехвата сигнального излучения в случае отклонения, путем формирования их оболочек из микроструктур с пониженным относительно оптического материала показателем преломления, с помощью перманентного изменения показателя преломления под действием ультракоротких лазерных импульсов. Именно данная технология позволяет произвольно разместить оптические волноводы в трехмерном пространстве. Оптический элемент создается из единого образца твердого оптического материала, что обеспечивает стабильную работу оптического элемента. Сердцевины центрального оптического волновода и детектирующих оптических волноводов имеют однородный показатель преломления, такой же, как показатель преломления образца оптического материала. Детектирующие оптические волноводы могут быть любой заданной формы, в том числе такими, что между входами детектирующих оптических волноводов и входом центрального волновода нет свободного пространства, т.е. входы детектирующих оптических волноводов расположены вплотную к центральному и имеют частично общую оболочку с центральным. Это позволяет расположить детектирующие волноводы максимально близко к центральному волноводу, что повышает точность определения величины отклонения сигнального излучения. Точность расчета отклонения фокусировки определяется в большой степени толщиной оболочки волноводов. Не детектируется и не попадает в центральный волновод только часть излучения, попавшая на оболочку. Чем меньше толщина оболочки, тем выше точность определения отклонения. Выходы детектирующих оптических волноводов разнесены относительно выхода центрального оптического волновода и друг относительно друга так, чтобы передать излучение с каждого выхода к измерительным датчикам. Например, выходы детектирующих оптических волноводов могут быть согласованы со стандартными волокнами, на концах которых могут быть установлены измерительные датчики, или на выходах детектирующих волноводов могут быть установлены измерительные датчики. Детектирующие оптические волноводы расположены так, что оптической перекачки излучения между детектирующими оптическими волноводами, между детектирующими оптическими волноводами и центральным волноводом не происходит, либо указанная перекачка происходит четное количество раз. При таком условии соотношение мощности на входах и выходах детектирующих оптических волноводов совпадают, что позволяет однозначно сопоставить характер отклонения с измеренными величинами излучения на выходах с детектирующих оптических волноводов. Центральный оптический волновод имеет форму цилиндра с максимальным поперечным размером сердцевины от 7 до 200 мкм, величина которого выбирается, исходя из параметров оптического волокна, в которое вводят излучение, и параметров системы фокусировки. Максимальный поперечный размер детектирующих волноводов составляет от 7 до 200 мкм. Размер детектирующих волноводов выбирается в соответствии с параметрами системы.
Оптический материал выбран из группы, содержащей кристаллический кварц. Кристаллический кварц является оптическим материалов для множества применений, и может быть использован как материал оптического элемента.
Оптический материал выбран из группы, содержащей фосфатные, кварцевые, боросиликатные и алюмосиликатные стекла. Для решения некоторых задач в качестве материала оптического элемента стабилизатора предпочтительно использовать фосфатные, кварцевые, боросиликатные и алюмосиликатные стекла.
Входы детектирующих оптических волноводов симметричны относительно входа центрального волновода. Такое расположение входов является оптимальным для определения величины отклонения сигнального излучения.
Вариантами исполнения оптического элемента являются размещение выходов детектирующих оптических волноводов на одной линии, на одной плоскости, на различных плоскостях. Например, если оптический элемент сформирован внутри единого образца в форме параллелепипеда, выход центрального волновода расположен на грани, противоположной входу, выходы детектирующих волноводов могут быть расположены на той же грани на одной прямой линии, на одной грани, на нескольких гранях. Эти варианты могут быть востребованы в зависимости от решаемой задачи, размеров измерительных датчиков и т.п.
Оптический элемент предназначен для излучения оптического диапазона.
В зависимости от задачи, размеров волноводов и материала образца микроструктуры имеют размер от 0.1 до 20 мкм, в частности от 1 до 10 мкм, в частности от 2 до 7 мкм. Точность определения отклонения положения фокуса определяется толщиной оболочки волновода. При общей оболочке толщиной до 7 мкм, если часть оболочки центрального волновода является частью оболочки детектирующего волновода, точность определения отклонения положения фокусируемого излучения будет выше 10 мкм.
Показатель преломления микроструктур понижен относительно показателя преломления оптического материала на величину от 0.0001 до 0.01. Показатель преломления микроструктур понижен относительно показателя преломления оптического материала на величину от 0.001 до 0.005. Такого изменения показателя преломления в микроструктурах относительно показателя преломления оптического материала достаточно для полного отражения сигнального излучения от оболочки волноводной структуры.
В зависимости от задачи и диаметра сердцевины центрального оптического волновода, максимальные поперечные размеры сердцевин детектирующих оптических волноводов составляет от 7 до 15 мкм или 15 до 50 мкм или от 50 до 200 мкм.
Подобные системы наиболее востребованы для ввода именно лазерного излучения в тонкое оптическое волокно, но могут иметь иное применение.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание оптического элемента стабилизатора фокусировки излучения в оптическое волокно с максимально близким и плотным расположением детектирующих элементов, который позволит непрерывно детектировать направление и величину отклонения положения фокуса с высокой точностью (менее 10 мкм). Использование полученной информации о величине и направлении отклонения положения фокуса позволит создать систему автоматического устранения отклонения положения фокуса с обратной связью.
На фиг. 1. представлена схема оптического элемента стабилизации фокусировки излучения в оптическое волокно.
На фиг. 2. представлена схема заведения излучения во входной торец центрального волновода в случае точной фокусировки (А) и в случае отклонения фокусировки от заданного положения (Б).
На фиг. 3. представлена схема формирования оптического волновода внутри образца твердотельного объемного оптического материала.
На фиг. 4. представлена схема оптического волновода с неизмененной сердцевиной и оболочкой с уменьшенным показателем преломления относительно значения, присущего неизмененной области обрабатываемого материал.
На фиг. 5. представлены варианты расположения входов детектирующих оптических волноводов вокруг входа центрального оптического волновода.
На фиг. 6. представлены варианты расположения входов детектирующих оптических волноводов в случае усечения пересечением входа центрального оптического волновода.
На фиг. 7. представлены варианты расхождения детектирующих волноводов с выходом на одной грани (7А) и на разных боковых гранях (7Б).
На Фиг. 1. представлена схема оптического элемента стабилизации фокусировки излучения в оптическое волокно. 1 - образец твердотельного объемного оптического материала, 2 - сигнальное лазерное излучение, 3 - оптическое волокно для сигнального излучения, 4 - фокусирующее устройство для заведения сигнального излучения, 5 - входная полированная плоская грань образца, 6 - выходная полированная плоская грань образца, 7 - верхняя полированная плоская грань образца, 8 - центральный оптический волновод, 9 - входной торец центрального волновода, 10 - выходной торец центрального волновода, 11 - детектирующие волноводы, 12 - входы детектирующих волноводов, 13 - выходы детектирующих волноводов, 14 - детектируемое излучение (часть сигнального излучения, которое попало во входной торец детектирующих волноводов), 15 - оптическое волокно для детектируемого излучения, 16 -измерительные датчики. Образец 1 имеет форму параллелепипеда. Для осуществления предлагаемого технического решения достаточно, чтобы у образца были входная полированная грань 5, на которой расположены вход 9 центрального оптического волновода 8 и входы 12 детектирующих оптических волноводов 11, полированная грань, на которой расположен выход 10 центрального оптического волновода, и грань, через которую можно сфокусировать ультракороткие лазерные импульсы в формируемые оболочки детектирующих оптических волноводов и центрального оптического волновода.
Предложен новый оптический элемент оптоволоконного стабилизатора (см. фиг. 1) на основе образца твердотельного объемного оптического материала 1, который позволяет детектировать отклонение сигнального лазерного излучения 2 при заведении в оптическое волокно 3 с помощью фокусирующего устройства 4. При этом сам оптический элемент является переходным и помещается между оптическим волокном 3 и фокусирующим устройством 4. Оптический элемент имеет центральный волновод 8, во входной торец 9 которого и заводится сигнальное лазерное излучение 2, а к выходу 10 подсоединено оптическое волокно 3. Помимо этого оптический элемент имеет детектирующие оптические волноводы 11, сформированные вокруг центрального волновода 8.
В случае точной фокусировки (фиг. 2А) излучение 2 полностью попадет на входной торец 9 центрального оптического волновода и будет передано по центральному оптическому волноводу 8 в оптическое волокно 3. В случае неточной фокусировки (фиг. 2Б) сигнального излучения 2 часть излучения 14 попадет во входы 12 детектирующих оптических волноводов 11 и будет передана по подсоединенным волокнам 15 к измерительным датчикам 16. Согласно данным от измерительных датчиков 16, можно рассчитать направление (угол) 17 и величину отклонения сигнального лазерного излучения (см. фиг. 2). И соответственно создать обратную связь для корректировки фокусировки сигнального лазерного излучения в оптическое волокно. При этом можно перемещать как сам оптический элемент, так и систему фокусировки.
На фиг. 3. представлена схема создания оптического волновода 22 внутри образца твердотельного объемного оптического материала 1 через верхнюю полированную плоскую грань образца 7. Метод создания и параметры установки подробно описаны в статье Bukharin М.А., Khudyakov D.V., Vartapetov S.K. «Femtosecond writing of depressed cladding waveguides in strongly cumulative regime». Proc. of SPIE. 2015. T. 9516. С. 95161A-1. Оптический волновод формируют, начиная с микроструктур, расположенных дальше от верхней грани образца 7, посредством ультракоротких лазерных импульсов 20, сфокусированных в глубине образца твердотельного объемного оптического материала оптической системой фокусировки 19. Оболочка 23 волновода 22 состоит из множества протяженных микроструктур 21, с пониженным показателем по отношению к показателю преломления оптического материала 1. Данная технология описана в патенте «Способ формирования оболочки волноводной структуры в прозрачном объемном материале и оболочка волноводной структуры» (RU 2578747). Расстояние между соседними микроструктурами составляет 10% до 100% поперечного размера микроструктур. При этом образец твердотельного объемного оптического материала 1 может иметь любую форму с полированными входной 5, выходной 6 и верхней 7 плоскими гранями, например, может иметь форму параллелепипеда.
Под действием сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов 20 показатель преломления может перманентно изменяться в малых (в поперечном сечении), но протяженных вдоль направления распространения излучения 20 областях, образующих микроструктуры 21. Поперечное сечение микроструктур может находиться в диапазоне от 0.1 до 20 мкм, в частности от 1 до 10 мкм, в частности от 2 до 7 мкм. Оптический волновод 22 создается посредством поточечного формирования оболочки волновода 23, состоящей из множества параллельно записанных протяженных микроструктур 21, с пониженным показателем преломления по отношению к неизменному материалу 25. На фиг. 4 представлено поперечное сечение такого волновода с записанной оболочкой 23. Тепловые и спектральные характеристики сердцевины 24 оптического материала не изменяются в процессе создания волновода, являются такими же, как в неизмененной области 25 оптического материала. Величина изменения показателя преломления находится в диапазоне от 0.0001 до 0.01, в частности, от 0.001 до 0.005. Расстояние между двумя соседними протяженными микроструктурами находится в диапазоне от 10% до 100% от наименьшего размера микроструктуры. Такого расстояния между микроструктурами достаточно для получения полного внутреннего отражения излучения, распространяющегося по сердцевине.
Диаметр центрального оптического волновода 8 выбирают таким образом, чтобы в него полностью заводилось сигнальное лазерное излучение 2 с помощью устройства фокусировки 4. Максимальные поперечные размеры сердцевин детектирующих оптических волноводов 11 выбираются таким образом, чтобы вокруг входа центрального оптического волновода 9 можно было расположить целое количество входов детектирующих оптических волноводов 12. На фиг. 5. представлены схемы расположения входов детектирующих оптических волноводов 12 вокруг входа центрального оптического волновода 9. Показаны случаи разного количества детектирующих оптических волноводов: четырех (А), шести (Б), восьми (В). На фиг. 6. представлены схемы расположения входов детектирующих оптических волноводов 12 в случае усечения пересечением входа центрального оптического волновода 9. В данном случае части оболочки центрального волновода являются также частями оболочки детектирующих волноводов. Показаны случаи разного количества детектирующих оптических волноводов: четырех (А), шести (Б). На фиг. 6 показаны усеченные цилиндры, но входы детектирующих волноводов могут быть произвольной формы.
Детектирующие волноводы 11 расходятся таким образом, что оптической перекачки излучения между ними и между центральным волноводом 8 не происходит, либо указанная перекачка происходит четное количество раз так, что соотношения мощности между оптическими волноводами на входах 9 и 12 и выходах 10 и 13 оптического элемента лазерно-оптоволоконного стабилизатора совпадают, что позволяет однозначно сопоставить характер отклонения с измеренными величинами излучения на выходах с детектирующих оптических волноводов. Помимо этого детектирующие и центральный волноводы расходятся таким образом, что расстояние между их выходами 10 и 13 позволяет согласовать их со стандартными оптическими волокнами 15 или напрямую установить датчики измерения мощности 16. На фиг. 7А. представлена схема расхождения детектирующих волноводов 11, согласно которой выходы 13 детектирующих оптических волноводов 11 расположены на одной линии на одной грани. На фиг. 7Б. показан случай расположения выходов 13 детектирующих оптических волноводов 11 на боковых гранях 26.