ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к устройствам интегральной оптики, предназначенным для усиления оптических сигналов и лазерной генерации с помощью иттербиевых волоконных световодов, в которых активной средой для получения лазерного эффекта является легированное ионами иттербия кварцевое (силикатное) стекло. Квантовые усилители и лазеры на основе таких световодов являются источниками ИК-излучения в диапазоне длин волн 980÷1150 им и широко применяются в настоящий момент в системах волоконно-оптической связи, медицине и промышленности (для прецизионной обработки поверхностей). Уровень техники.
В настоящее время в качестве волоконных иттербиевых лазеров широко известны (патент РФ на изобретение №2302066, опубл. 27.06.2007) схемы, в которой участок иттербиевого световода, выполняющего функцию активной среды, приварен с обеих сторон к участкам фоточувствительного световода с записанными в нем при помощи УФ-излучения, брэгговскими решетками показателя преломления, выполняющими функции зеркал-отражателей. В типичной схеме волоконного иттербиевого лазера одна из брэгговских решеток имеет значение коэффицианта отражения >99.9% и используется в резонаторе в качестве «глухого» зеркала, а другая - выполняет роль выходного зеркала со средним значением коэффициента отражения порядка 10-30%. В качестве материала сердцевины иттербиевого световода обычно используется кварцевое стекло, легированное оксидом иттербия, а также дополнительно небольшой концентрацией оксида алюминия - с целью улучшения растворимости ионов иттербия в сетке стекла. В фоточувствительном световоде материалом сердцевины является германосиликатное стекло с концентрацией оксида германия на уровне 5÷10 мол. %. Для создания брэгговских решеток в фоточувствительном световоде используется, как правило, излучение аргонового лазера с длиной волны 244 нм, либо эксимерного KrF лазера с длиной волны 248 нм. Основным недостатком указанных решений является необходимость стыковки (сварки) световодов с различными волноводными параметрами (такими, как диаметр поля моды и числовая апертура) между собой, что приводит к неизбежным потерям мощности излучения и, соответственно, снижению эффективности работы лазера. Устранить этот недостаток можно путем использования в качестве активной среды легированной ионами иттербия матрицы германосиликатного стекла, либо путем повышения чувствительности к УФ-излучению сердцевины световода, легированной оксидом алюминия. При этом, однако, было установлено, что в матрице германосиликатного стекла, а также нелегированного кварцевого стекла, ионы иттербия имеют очень низкую растворимость и, следовательно, использование его в качестве активной среды не является перспективным. С другой стороны, кварцевое стекло, легированное оксидом алюминия, обладает крайне низкой фоточувствительностью в УФ-диапазоне длин волн и поэтому сформировать в нем брэгговскую решетку с высоким коэффициентом отражения практически невозможно.
В настоящее время проблема различных волновых параметров активной среды и брэгговских решеток решается, как правило, за счет введения в лазер устройства синхронизации мод (патент на изобретение РФ №2496647, опубл. 27.06.2013 г) или контроллеров поляризации поляризации, изолятор, волоконный разветвитель и сумматор для вывода излучения и оптической накачки (Dirk Mortag et al. "Sub-80-fs pulses from an all-fiber-integrated dissipative-soliton laser at 1 µm" журнал Optics Express, Vol. 19, No. 2, p. 546). Однако, введение в лазер дополнительных устройств приводит к его усложнению и удорожанию, снижает его надежность, а также эффективность благодаря дополнительным затратам энергии.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является волоконный лазер (патент РФ на изобретение №2269849, опубл. 10.02.2006 г), содержащий волоконный световод, имеющий активную среду на основе кварцевого стекла, лазер в качестве источника накачки и первую пару брэгговских решеток, образующих первый резонатор, в котором первая пара брэгговских решеток используется в качестве средства лазерной накачки и что предусмотрена вторая пара брэгговских решеток, образующих второй резонатор и резонирующих на выходной длине волны волоконного лазера, вследствие чего вторая пара брэгговских решеток является отражающей на стоксовых компонентах первого порядка рамановского рассеяния света и пропускающей для компонент вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, так что компоненты вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна покидают второй резонатор без резонанса или генерации когерентного оптического излучения.
Достоинство ближайшего аналога заключается в повышении мощности волоконного лазера и в обеспечении малой ширины спектральных линий для расширенного диапазона длин волн в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.
Недостатком ближайшего аналога, как и предыдущих аналогов, является необходимость стыковки световодов с различными волноводными параметрами между собой, что приводит к неизбежным потерям мощности излучения и, соответственно, снижению эффективности работы лазера.
Задачей настоящей полезной модели является создание активного волоконного световода, содержащего брэгговские решетки непосредственно в сердцевине световода, без использования стыковки.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении квантовой эффективности волоконного лазера и повышении надежности его работы.
Технический результат достигается тем, что в известном волоконном лазере, содержащем источник накачки и волоконный световод, содержащий активную среду на основе кварцевого стекла, состоящую из сердцевины и оболочки, отражающую брэгговскую решетку, и пропускающую брэгговскую решетку, кварцевое стекло содержит легирующие добавки в составе: оксид алюминия (1÷3 мол. %), оксид германия (1÷5 мол. %), оксид иттербия (0.1÷1 мол. %), а отражающая и пропускающая брэгговские решетки размещены в сердцевине волоконного световода.
Предпочтительно выполнить разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой световода не превышающей 0.01.
Рекомендуется ввести в волоконный лазер содержит дополнительные отражающие брэгговские решетки и дополнительные пропускающие брэгговские решетки.
Рационально выполнить отражающую брэгговскую решетку с показателем отражения свыше 99%.
Целесообразно выполнить пропускающую брэгговскую решетки с показателем преломления 10÷30%.
Преимуществом настоящей полезной модели является повышение квантовой эффективности волоконного лазера и надежности его работы. Формирование отражающей и пропускающей брэгговских решеток в сердцевине волоконного световода повышает квантовую эффективность и надежность лазера за счет снижения внутрирезонаторных потерь на стыковке световода с брэгговскими решетками. Добавление в кварцевое стекло легирующих добавок оксида алюминия (1÷3 мол. %), оксида германия (1÷5 мол. %) и оксида иттербия (0.1÷1 мол. %) позволяет повысить фоточувствительность волоконного световода, что повышает возможность формирования брэгговских решеток в сердцевине волоконного световода и влияет на технический результат.
Волоконный лазер в предпочтительном варианте состоит из источника накачки и волоконного световода, содержащего кварцевое стекло, состоящее из сердцевины и оболочки, сердцевина волновода легирована оксидом германия, оксидом алюминия и оксидом иттербия и содержит отражающую брэгговскую решетку, и пропускающую брэгговскую решетку.
Волоконный лазер в предпочтительном варианте изготавливается следующим образом. Волоконный световод из кварцевого стекла на этапе синтеза заготовки легируют оксидом алюминия (1÷1 мол. %), оксидом германия (1÷5 мол. %) и оксидом иттербия (0.1÷1 мол. %). Затем для формирования брэгговских решеток, играющих роль зеркал резонатора лазера, непосредственно в сердцевине иттербиевого световода используют когерентное УФ-излучение эксимерного ArF-лазера с длиной волны генерации 193 нм, обеспечивающее эффективную запись брэгговских решеток в стекле сердцевины активного световода. Чувствительность к УФ-излучению обеспечивается предварительным легированием волоконного световода оксидом германия. Этим излучением формируется интерференционная картина в области сердцевины иттербиевого световода при помощи фазовой маски, что обеспечивает наведение фотоиндуцированного показателя преломления в максимумах интерференционной картины и, таким образом, создание брэгговской решетки показателя преломления с заданным периодом и длиной. Полученный таким образом волоконный световод имеет разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой в диапазоне 0.005÷0.010 и при этом является одномодовым в диапазоне длин волн 900÷1150 нм, что позволяет его использовать для изготовления лазерного резонатора на одном куске световода, не прибегая к сварке.
В качестве источника накачки может быть применен любой известный на данный момент тип источника накачки: диодный, лазерный и т.д.
Раскрытый в настоящем описании волоконный лазер работает следующим образом. Излучение источника накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, отражаясь от оболочки. Это излучение оптически накачивает сердцевину, в ней происходит эффект усиления спонтанного излучения ионов иттербия. Пропускающая брэгговская решетка выпускает только часть полученного после многократного отражения светового излучения, в то время как отражающая брэгговская решетка не выпускает световой поток, отражая его. Тем самым часть излучения выходит в виде лазерного луча, а другая часть, испытывая переотражение от оболочки и двух брэгговских решеток, компенсирует ушедшее излучение. Система уравновешивается. Таким образом, создается резонатор волоконного лазера. Через пропускающую брэгговскую решетку, играющую роль полупрозрачного зеркала, выходит одномодовый лазерный пучок.
Выполнение волоконного лазера по настоящей полезной модели позволяет устранить внутрирезонаторные потери на стыковке иттербиевого световод с брэгговскими решетками, что приводит уменьшению внутрирезонаторных потерь как минимум на величину 0.5 дБ и, таким образом, к повышению квантовой эффективности лазера на 10%.