СИСТЕМА СПЕКТРАЛЬНОГО СЛОЖЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТОВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ
SPECTRAL SUPPLEMENTING SYSTEM FOR RADIATION OF FIBER OPTICAL LASERS

Предлагаемое изобретение относится к технологии ввода света, выходящего из нескольких волоконных лазерных устройств, в один оптический компонент и управлению излучением, выходящим из аналогичных лазерных устройств, и может быть использовано при изготовлении лазерной техники повышенной мощности.
Важнейшим достоинством лазеров является возможность получения дифракционного качества излучения, т.е. генерации одной поперечной моды. Увеличение предельной мощности излучения в таком режиме ограничивается некоторыми физическими факторами. Например, в волоконных лазерах одномодовый режим генерации обеспечивается малым диаметром сердцевины применяемого волокна, однако, это приводит к уменьшению порогов возникновения вынужденного комбинационного рассеяния и пробоя активной среды. Дальнейшее увеличение мощности возможно осуществить лишь путем объединения излучения отдельных мощных оптоволоконных лазеров с диодной накачкой различными способами. Одним из способов получения излучения большой мощности с высоким дифракционным качеством является спектральное сложение, который заключается в объединении коллимированного излучения нескольких одномодовых лазеров с разными длинами волн генерации с помощью селективных элементов в один луч.
При этом, высокие требования к ширине линии генерации объединяемых лазерных источников (что обусловлено спектральными характеристиками селективных элементов) усложняют решение задачи увеличения суммарной оптической мощности лазерного излучения (Вт) и получения качества излучения близким к дифракционному.
Известен «Пятикиловаттный мощный усилитель оптоволоконного лазера с узкой шириной спектральной линии». Статья Китай. Zhimeng Huang, Rumao Tao. «5kW Record High Power Narrow Linewidth Laser From Traditional Step-Index Monolithic Fiber Amplifier / IEEE Photonics Technology Letters, 2021.
В статье описан мощный иттербиевый волоконный усилитель длиной волны 1064 нм на стандартном оптоволокне со ступенчатым изменением показателя преломления моды. Благодаря проведенным научным исследованиям удалось достичь технических характеристик иттербиевого оптоволоконного лазера с узкой шириной спектральной линии 0,37 нм с выходной оптической мощностью до 5 кВт. В работе проведены исследования в направлении повышения качества охлаждения нагревающихся элементов лазерной системы. Система состоит из основного генератора, в качестве которого выступает узкополосный иттербиевый волоконный лазер с несколькими каскадами усиления, а также из цельноволоконного оптоволоконного усилителя с полупроводниковыми источниками накачки.
Однако из-за увеличения нагрева волокна и проблемами с отведением тепла от нагревающихся элементов лазерной системы в целом, повышение выходной лазерной мощности ограничено возникновением нелинейных и тепловых эффектов, особенно неустойчивости моды. В дополнение к стимулируемому Рамановскому рассеянию, получению высокой мощности с узкой шириной спектральной линии препятствовало также и стимулируемое рассеяние Мандельштама-Бриллюэна из-за узкой ширины спектральной линии. Для достижения указанной мощности применена фазовая модуляция в основном лазере, а цельноволоконный усилитель выполнен на волокне с увеличенной сердцевиной, что позволяет повысить порог возникновения нелинейных эффектов.
Одновременно следует отметить, что порог нелинейных эффектов гораздо ниже у волоконных лазеров с узкой шириной спектральной линии.
Известен патент РФ №2700723 МПК В23К 26/00, H01S 3/067 опубл. 19.09.2019 под названием «Волоконная лазерная система со множеством пучков».
Данное изобретение относится к технологии ввода света, выходящего из нескольких волоконных лазерных устройств, в один оптический компонент, и управлению излучением, выходящим из таких лазерных устройств. Система содержит множество модулей волоконной лазерной системы, множество выходных волокон и объемный оптический элемент. Модули волоконной лазерной системы создают множество отдельных пучков выходного излучения волоконного лазера. Соответствующие пучки выходного излучения различаются одной или несколькими характеристиками пучка. Каждое из выходных волокон выполнено с возможностью доставки одного из указанных отдельных пучков выходного излучения волоконного лазера. К объемному оптическому элементу присоединены каждое из указанных выходных волокон. Оптический элемент выполнен с возможностью приема отдельных пучков выходного излучения волоконного лазера от выходных волокон и вывода отдельных пучков выходного излучения волоконного лазера по существу на расстоянии друг от друга. Технический результат заключается в создании лазерной системы с применением оптического элемента, который может выдавать некогерентные лазерные пучки в заданной конфигурации, в которой можно управлять параметрами выходного излучения.
Настоящее изобретение обеспечивает объединение различных типов лазерного выходного излучения для одновременной обработки заготовки, причем его варианты охватывают характеристики пучка, включающие форму пятна, длину волны, диапазон длины волны, импульсный, непрерывный или квазинепрерывный режим, ширину импульса, пиковую мощность, среднюю мощность, частоту повторения, и параметры пучка, такие как качество пучка или М-фактор: то есть, одномодовое выходное излучение, выходное излучение на низких модах или многомодовое выходное излучение.
Однако данная система не позволяет достичь излучения большой мощности с качеством излучения, близким к дифракционному.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является система мощного лазерного излучения, полученного эффективным спектральным объединением пучка (Armen Sevian, Oleksiy Andrusyak, Igor Ciapurin, Vadim Smirnov, George Venus, and Leonid Glebov «Efficient power scaling of laser radiation by spectral beam combining (Исследование мощного лазерного излучения, полученного эффективным спектральным объединением пучка)». OPTICS LETTERS/Vol. 33, №4 / February 15, 2008 г.). Представленная система содержит источники излучения (ИИ), объемные брэгговские решетки (ОБР) и зеркала. В качестве ИИ использованы волоконные лазеры. Один ИИ выполнен основным и связан оптически с объемной брэгговской решеткой через зеркало, которая оптически соединена через два зеркала с первым дополнительным ИИ, а вторая через два зеркала со вторым дополнительным ИИ и так далее.
В статье продемонстрирована возможность достижения выходного лазерного излучения киловаттного уровня путем спектральной комбинации пучков с применением объемной брэгговской решетки. Экспериментально продемонстрирована высокая производительность до 1 кВт с качеством, близким к дифракции лазерной системы с пятью каналами со спектральным объединением.
В течение многих лет проводились научные исследования в направлении увеличения мощности лазерного излучения до нескольких киловатт. Несмотря на значительные усилия в этой области главной сложностью решаемой задачи было теплоотведение от нагревающихся в процессе работы элементов лазерной системы. Одномодовые волоконные лазеры с выходной мощностью больше чем 1 кВт ограничены не только тепловыми проблемами, но также и нелинейными эффектами, такими как стимулируемое рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и Рамана, которые увеличиваются с увеличением длин волокна. Авторы нашли решение данной проблемы путем эффективной компоновки источников распределения тепла, а также применили способ объединения выходных пучков с близким дифракционным качеством от лазерных элементов системы в один.
Это может быть выполнено двумя различными способами. В первом случае так называемым «Когерентным объединением пучка», в котором излучение от задающего генератора разбивается на множество пучков, индивидуально усиливается и затем объединяется в устройстве типа интерферометра посредством уравнения фазы. В принципе этот подход мог обеспечить эффективное объединение пучка, однако это требует чрезвычайно высокой точности и стабилизации фазы лазерного источника. Кроме того, проблема стабильности и качества выходного пучка является до сих пор весьма сложной задачей повышения мощности лазера с тепловыми эффектами, которые могут привести к серьезным искажениям фронта волны.
Во втором случае так называемым «Спектрального пучка, комбинирующего выходные пучки от нескольких лазерных источников», отличающихся длинами волн и объединенными в одну апертуру с ограниченной дифракцией. В отличие от когерентной комбинации пучка этот метод не имеет требований к последовательности и позволяет приблизительно сохранять исходные качества пучка. А спектр объединенного пучка - это сумма спектров объединенных пучков. Это делает метод спектрального объединения многообещающим подходом из-за простоты схемы и более низких требований к юстировке системы.
Для объединения пучков применены объемные брэгговские решетки с дифракционной эффективностью до 95% и неплохими тепловыми, механическими и оптическими свойствами, подходящие для больших оптических мощностей. Вследствие узкой спектральной и угловой селективности, низкими потерями делает применение брэгговской решетки для таких систем преимущественным.
В последнем эксперименте были объединены пять лазерных пучков с эффективностью до 93% на уровне 700 Вт. Параметры лазерных пучков: мощность до 160 Вт, диаметром около 3 мм и длинами волн от 1062,8 до 1064,55 нм с шагом 0,35 нм. Угол падения лазерных пучков выбран от 3 до 5°. Эффективность ограничена главным образом потерями перекрестной связи и мощности.
Однако в данном эксперименте мощность объединяемых лазерных пучков не превышает 700 Вт, а общая полученная сложенная мощность не выше 750 Вт.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - увеличение выходной мощности лазерного излучения при сохранении качества излучения, близкого к дифракционному.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе спектрального сложения излучения оптоволоконных лазеров, которая содержит источники излучения, один из которых является основным и оптически соединен с селективными элементами, которые соединены с дополнительными источниками излучения, согласно изобретению каждый источник излучения снабжен двумя волоконными брэгговскими решетками, одна из которых выполнена высокоотражающей, а другая выходной, при этом ширина спектра отражения высокоотражающей решетки больше, чем ширина спектра выходной, селективные элементы и волоконные брэгговские решетки снабжены системой термостабилизации, ширина спектра отражения двух решеток основного источника излучения больше, чем ширина спектра отражения двух решеток каждого из дополнительных источников излучения.
При этом в качестве селективных элементов могут быть использованы зеркала с максимальным отражением для соответствующего источника, либо объемные брэгговские решетки, а в качестве источников излучения - одномодовые волоконные лазеры.
Всей совокупностью перечисленных признаков достигается увеличение выходной мощности лазерного излучения при сохранении качества излучения, близким к дифракционному. Этого добились за счет того, что обеспечили угловую расходимость выходного лазерного излучения, близкой к угловой расходимости складываемых источников, за счет распространения лучей вдоль одной оси, благодаря созданию системы указанным выше образом.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На чертеже представлена схема системы спектрального сложения излучения.
Система спектрального сложения излучения (ССИ) оптоволоконных лазеров содержит источники излучения (ИИ), и селективные элементы (СЭ). В качестве ИИ могут быть использованы одномодовые волоконные лазеры, а в качестве СЭ могут быть применены либо объемные брэгговские решетки (ОБР), либо зеркала с диэлектрическим покрытием, выполненные, например, из стекла К8 ГОСТ 3514-94 или KB ГОСТ 15130-86, изготовленные с высокой отражающей способностью. Каждый ИИ снабжен двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР), одна из которых является высокоотражающей, а другая - выходной, при этом ширина спектра отражения высокоотражающей ВБР больше, чем ширина спектра выходной ВБР. Ширина спектра отражения двух ВБР основного ИИ больше, чем ширина спектра отражения двух ВБР каждого из дополнительных ИИ. Каждая ВБР и ОБР снабжена системой термостабилизации (на фиг. не показаны).
1
N
N+1
1
N
N+1
Один из ИИ является основным И, остальные дополнительными И, И. Основной И оптически соединен с каждым селективным элементом СЭ и СЭ, каждый из которых оптически соединен с соответствующим ему дополнительным ИИ. В качестве основного ИИ используется лазер с выходной мощностью, превышающей выходную мощность каждого из дополнительных ИИ не менее, чем в 2 раза.
Система ССИ оптоволоконных лазеров работает следующим образом.
1
N
N+1
N
N+1
N
N+1
Основной источник излучения И с максимальной выходной оптической мощностью генерирует излучение на длине волны, отличной от резонансных пиков СЭ и СЭ при этом ВБР из конструкции источников И, И, генерирующих выходное излучение с мощностью не менее чем половина мощности основного ИИ, обеспечивают ширину линии излучения, не перекрывающую спектральный диапазон работы СЭ и СЭ.
Пример. Для получения выходной оптической мощности ~ 8 кВт была реализована схема, согласно которой сложили излучение четырех лазерных каналов с длинами волн 1076, 1078, 1080 и 1082 нм, шагом 2 нм и выходной оптической мощностью не более 2 кВт. При этом применялись селективные элементы, соответствующие индивидуальной длине волны каждого из дополнительных источников излучения.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность системы спектрального сложения излучения оптоволоконных лазеров и способность достижения указанного технического результата. Средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в установках селективного плавления металлических порошков, для лазерной обработки металлов, в том числе резки и наплавки в разных областях промышленности, в научных исследованиях, в том числе при комбинировании различных длин волн при воздействии на обрабатываемые материалы.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».