ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ФЕМТОСЕКУНДНОГО РЕЗОНАТОРА НА ОСНОВЕ КОНУСНОГО СВЕТОВОДА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель представляет собой устройство, относящееся к области квантовой электроники. Предложенная гибридная схема лазера предназначена для генерации оптических сверхкоротких импульсов высокой пиковой мощности на основе неоднородной по длине активной среды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна схема кольцевого резонатора лазера (US 7876803 B1), в которой в качестве активной среды используется симметричный световод Yb-doped Large Mode Area (большой площадью моды), рис. 1.
Недостатком конструкции заключаются в ограниченности применения данной конфигурации, она способна генерировать излучения в двух режимах: непрерывном и режиме модуляции добротности. Длительность импульсов в последнем порядка десятка наносекунд, что делает невозможным достижение высоких пиковых мощностей. Симметричная структура активной среды генерирует излучение эмиссии в обоих направлениях световода, что пагубно сказывается на обеспечении однонаправленного распространения рабочего излучения, для которого требуются дополнительные элементы изоляции.
Также известна схема кольцевого резонатора лазера (US 20040114641 A1) рис. 2, в которой возможно достижение режима пассивной синхронизации мод и как следствие генерация ультракоротких импульсов с высокой мощностью. Недостатком аналога является то, что в нем в качестве активной среды используется стандартный одномодовый световод Yb doped fiber рис. 2 легированный ионами Иттербия, который в силу своей стандартной геометрии имеет ограничение по насыщению, что препятствует генерации более мощных оптических импульсов. В качестве элемента контроля дисперсии используется фатонно-кристаллический световод, нахождение которого в схеме приводит к увеличению потерь внутри схемы.
Предполагаемая полезная модель позволяет избежать указанные выше недостатки прототипа.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в создание новой схемы конструкции лазерного резонатора с конусным оптическим волокном, легированным редкоземельными элементами, в качестве активной среды.
Технический результат, достигаемый при использовании неоднородного по длине световода, заключается в повышение выходной пиковой мощности лазерного импульсного излучения внутри резонатора, минимизации шумов, улучшение качества пучка и обеспечение однонаправленного режима распространения излучения за счет геометрии активной среды.
Сущность полезной модели поясняется схемой представленной на Рис 3.
Волоконная часть гибридного лазера, содержит: сильно легированное иттербием волокно с увеличивающимся по длине диаметром сердцевины от D=10 до D1=70 мкм (TF Рис. 3), модуль ввода излучения лазера накачки в активное волокно (Comb на Рис. 3). Объемные элементы схемы: изолятор Фарадея (Iso на Рис. 3), кубический делитель пучка с отношением проводящего и отражающего излучения 90/10 (PBS на Рис. 3), модуль ввода/вывода излучения в световод (LM на Рис. 3) четверть и полуволновые пластины (QWP и HWP соответвенно на Рис. 3), спектральный фильтр (F на Рис. 3), дихроичное зеркало (DM на Рис. 3), и зеркала с высоким коэффициентом отражения (M на Рис. 3). В качестве накачки используются два высокомощных полупроводниковых диода с волоконным выходом на длине волны 980 нм (LPD на Рис. 3).
Модуль ввода излучения лазера накачки Comb в активное волокно представляет из себя сумматор накачки с одномодовым сигнальным волокном и одним многомодовым волокном накачки в оболочку. При помощи волоконной сварки соединяется с узкой частью активной среды волокна TF. Модули LM излучения используются для завода и вывода оптического излучения в/из волоконных элементов схемы. Дихроичное зеркало DM используется для накачки активной среды излучением LPD и отражением в резонаторную систему индуцированного ионами Иттербия среды TF излучения на длине волны в диапазоне 1045-1060 нм. Зеркала с высоким коэффициентом отражения M обеспечивают обратную связь и замыкают резонатор. Изолятор Фарадея ISO обеспечивает однонаправленный режим распространения излучения и выступает в качестве поляризационного элемента. Полуволновые, четвертьволновые пластины с оптическим фильтром необходимы для управления поляризации внутри схемы для достижения режима пассивной синхронизации мод за счет вращения плоскости поляризации. Нелинейное вращение поляризации внутри системы способно обеспечить генерацию коротких импульсов длительностью до нескольких сотен фемтосекунд. Фильтр F пропускает ограниченный спектр излучения, оптимально усиливая лишь фундаментальную гармонику резонатора. Активная волоконная среда с изменяющимся диаметром по длине способна обеспечивать однонаправленный режим распространения излучения. За счет уменьшения диаметра поля моды, а также за счет эффекта вьентирования потери при распространении излучения в обратном направлении на порядок выше, чем в прямом. К тому же конусная структура световода позволяет комбинировать способы накачки активной среды, применяя как волоконный ввод излучения с помощью сумматора накачки, так и через объемные модули завода излучения. Низкая расходимость излучения из широкой части активной среды позволяет эффективно сколлимировать излучение и зависти его в сигнальный световод сумматора накачки после прохождения остальных объемных элементов системы.
На рис. 4 показана геометрия активной среды лазера. Диаметр сердцевины D=10 мкм а D1=75 мкм, длина активного элемента составляет 4,5 метра. Световод имеет структуру с кварцевой сердцевиной, легированным ионами Иттербия двойной оболочкой и внешней изолирующей оболочкой
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в увеличении эффективности прокачки конусного световода и увеличении пиковых мощностей внутри резонаторного контура без сторонних усилителей.