СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ИНВЕРСИИ НАСЕЛЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DIFFERENTIAL CONTROL OF POPULATION INVERSION OF LASER MEDIUM AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD (VERSIONS)

Область техники.
Изобретение относится к способам защиты оптических усилителей и импульсных лазеров от оптического пробоя из-за избыточности в населенности инверсных уровней. А именно к способам контроля допустимого уровня инверсии активных оптических сред, используемых в приборах телекоммуникации, хирургии, металлообработки.
Предшествующий уровень техники.
Важным фактором устойчивой и стабильной работы квантовых волоконных усилителей и мощных импульсных лазеров является надежный контроль степени инверсии лазерной среды или коэффициента усиления среды.
Как правило, в ряде изобретений, об усилении лазерной среды работающего мощного импульсного лазера или оптического усилителя судят по мощности усиленной спонтанной эмиссии (ASE), измеряемой фотоприемником в промежутках между импульсами или, в так называемом, квазистационарном режиме, характерном для оптических усилителей связи. В патенте US 2010/7817921 B2 для определения ASE используют фотоприемники, которые измеряют интегральную оптическую мощность и сравнивают ее значение с табличным значением. Понятно, что такой способ подвержен ряду систематических ошибок, характерных для пропорциональных интегральных систем. В частности, ошибки могут быть вызваны различными неконтролируемыми потерями в ответвителе от мощного световода (например, при деформации контакта вследствие разогрева или старением места сварки при больших мощностях и др.), что приводит в лучшем случае к масштабным искажениям в управлении и нестабильной работе системы, а худшем - к выходу ее из строя.
Подобные проблемы возникают в способе защиты оптических усилителей в патенте US 2007/7177174 B2, в котором на фотоприемник попадает лишь часть ASE, но опять же пропорционального типа.
В патенте US 2005/0225846 A1 также предлагается предотвратить нестабильность работы мощного импульсного волоконного усилителя, используя лишь пропорциональный сигнал мощности на входе фотоприемника для измерения ASE. И в этом случае необходимо всякий раз калибровать коэффициент ответвления мощности ASE - это проблематично и всякий раз усложняет работу системы.
Описание изобретения
Для стабильной работы мощных импульсных лазерных систем необходимо осуществлять более достоверный контроль инверсии населенности лазерной среды в процессе накачки, а, следовательно, связанной с ней величины мощности ASE в условиях, когда ответвляемая часть сигнала мощности ASE от основного канала достоверно неизвестна, например, из-за сильного разогрева места контакта с основным мощным волноводом под действием самого излучения.
Поэтому целью настоящего изобретения является разработка более надежного способа и устройств управления инверсией населенности активной среды импульсного лазера или оптического усилителя, основанных на дифференциальном контроле ответвляемой произвольной части ASE, без необходимости в калибровке коэффициента ответвления. Причем, измерения мощности ASE проводят в промежутках времени между импульсами для случая импульсного лазера или оптического усилителя.
Способ основан на измерении спектральных составляющих ASE (применим как для импульсного лазера, так и для оптического усилителя), сводится к измерению дифференциальных спектров оптической мощности ASE на входе двух фотоприемников в ответвленной части лазерного излучения. Реализуется спектральный способ в двух устройствах - для импульсного лазера и для оптического усилителя.
Суть изобретения в следующем.
Для упрощения изложения рассмотрим волоконный вариант импульсного лазера (Фиг.1) и оптического усилителя. (Фиг.2).
Суть дифференциального спектрального способа состоит в следующем. Предлагается использовать дифференциальные измерения спектров оптической мощности ASE на входе двух фотоприемников. При такой схеме включения фотоприемников с различными полосами пропускания спектра ASE при обработке данных устраняются синфазные систематические погрешности в неопределенности постоянных фоновых уровней мощности ASE, систематические токовые наводки от мощных электрических сигналов, а так же погрешности изгибных низкочастотных механических вибраций в месте отвода волокна, контактирующего с основным волноводом излучения.
На Фиг.1 и Фиг.2 после активного волокна 10, с зеркалами резонатора 11 и 12 (в оптическом усилителе отсутствуют - Фиг.2), с накачкой 20 через оптические ответвители 50, 51 подключены два фотоэлектронных преобразователя 40, 41 с узкополосными фильтрами 60, 61 на входах для измерения спектральной плотности спектра ASE. Фильтры с полосой пропускания порядка 2 нм могут быть выполнены на основе брэгговских решеток. Фильтры пропускают в противоположных частях спектра: один в длинноволновой, а другой в коротковолновой области вблизи максимумов плотности спектра ASE. Отфильтрованное таким образом спонтанное излучение ASE поступает на вход фотоэлектронных преобразователей 40, 41 и далее в виде электрических сигналов 70, 71 - на контроллер 80, который после сопоставления сигналов вырабатывает команду в виде электрических сигналов 90 и 100 на управление мастер-осциллятором 30 и накачкой 40, соответственно. Мастер-осциллятор 30 (Фиг.2) вырабатывает импульс излучения 110, который достигает входа активного волокна и усиливается по мере прохождения к выходу 120.
На Фиг.3 показан типичная картина изменения мощности Р (ASE) в ответвленной части 50 перед фильтрами 60 и 61 в моменты прохождения импульсов от задающего мастер-осциллятора при разных уровнях инверсии активной среды (разных усилениях накачиваемой среды), в пассивном режиме управления мощностью и частотой следования импульсов, т.е. при постоянной накачке и постоянной частоте следования запускающих импульсов мастер-осциллятора.
На Фиг.3 видно, что уровень люминесценции перед четными и нечетными импульсами различен (резкие выбросы на рисунке соответствуют оптическим импульсам). Нечетным импульсам (если считать слева) соответствует меньшее значение коэффициента усиления и инверсии. Развивающийся оптический импульс имеет относительно малую выходную энергию, так что уровень инверсии незначительно изменяется после него (наблюдается только небольшое проседание ASE). До следующего (четного) импульса инверсия опять нарастет, так что коэффициент усиления перед четным импульсом значительно больше, чем перед нечетным. В результате образуется импульс большой энергии, сильно просаживающий инверсию. Устранить этот нежелательный эффект можно включением активного режима управления, частотой следования путем сравнения соотношения спектральной плотности в коротковолновой и длинноволновой областях спектра ASE. Поясним это ниже.
На Фиг.4 схематично представлен спектр ASE при 4-х различных уровнях диодной накачки: кривые 1-4, по мере роста тока накачки Yb - усилителя. Для разных активных сред вид спектра может отличаться, но два максимума будут так или иначе характерны для спектральной области длин волн 1030 нм (коротковолновая часть ASE) и 1060 нм (длинноволновая часть ASE). Поэтому, представляется удобным в качестве критерия достаточности накачки для создания необходимого и безопасного уровня инверсии (усиления) выбрать определенное соотношение амплитуд максимумов в спектре ASE в коротковолновой ASE_H и длинноволновой ASE_L области спектра. Данное соотношение подбирается для определенного типа активного волокна, поскольку энергетическая зонная структура может отличаться от волокна к волокну в зависимости от технологии его производства и типа вводимых примесей.
Подобная картина спектра ASE наблюдается и в активном волокне с другими редкоземельными металлами, например в Er - усилителях, которые нашли широкое применение в телекоммуникации. На Фиг.5 при длинах волн спонтанного излучения в коротковолновой области спектра 1545 нм и длинноволновой - 1562 нм наблюдаются максимумы ASE_H и ASE_L, соответственно. Для более - менее равномерного усиления WDM каналов связи целесообразно выбирать накачку из условия равенства этих максимумов. Это может быть критерием оптимальной настройки оптического усилителя, с одной стороны, а, скажем, превышение ASE_H над ASE_L на 3 дБ может быть интерпретировано контроллером как условие для отключения накачки и защиты усилителя от перегрузки (в отсутствии WDM сеанса связи).
Таким образом, по измерению плотности спектра по меньшей мере в двух областях спектра ASE (вблизи максимумов ASE_H и ASE_L) можно контролировать ситуацию и принять нужное решение - выключить накачку и предотвратить оптический пробой или включить разрядный импульс, или сделать то и другое одновременно. Технически это сводится к сопоставлению спектральной плотности ASE в двух разных областях спектра по мере роста инверсии населенности (Фиг.6) в различные времена t1-t4. Здесь время выступает в качестве параметра, при каждом его значении (в нашем примере: t1-t4) можно сравнивать ASE_H(t1) и ASE_L(t1) (измерения синхронные) Таким образом, в спектральном способе дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды осуществляют:
1. Спектральный анализ ответвленной части мощности ASE в процессе накачки путем относительного сравнения плотности спектра ASE в двух областях: длинноволновой и коротковолновой, посредством узкополосной фильтрации на входах двух оптоэлектронных преобразователей, подключенных к а.ц.п. контроллера, управляющего накачкой и/или мастером-осциллятором.
2. Сопоставляют участки спектра из двух областей в окрестности максимальных плотностей спектра ASE_H и ASE_L.
3. Относительное сравнение синхронно по двум областям спектра ASE в виде отношения амплитуд ASE_H и ASE_L, соответствующих плотностей спектра или в виде разности по децибельной шкале.
4. Накачку лазерной среды, в которой используют один из ряда лазерных материалов
- стекло,
- монокристалл,
- оптическое волокно, кварцевое или сапфировое, или полимерное.
5. С использованием лазерных материалов, содержащих металлы из группы редкоземельных, в частности Er, Yb.
6. С контролем критических параметров оптического усиления лазерной среды, например превышения допустимого уровня накачки или достижения оптимального уровня, в условиях непрерывной или импульсной лазерной генерации, или оптического усиления.
7. С управлением посредством контроллера, принимающего через а.ц.п. выходные сигналы оптоэлектронных преобразователей и сопоставляющий отношения их амплитуд с ранее заданным табличным значением.
8. С использованием сигнала ц.а.п контроллера для обратной связи по уровню накачки при управлении инверсией населенности активной лазерной среды путем изменения уровня накачки под управлением контроллера.
9. С использованием импульсного ограничения роста инверсии населенности при старте импульса излучения мастер-осциллятора, запускаемого управляющим сигналом контроллера, сбрасывающего инверсию населенности к низкому уровню после лазерной генерации при каждом импульсе.
Ниже следует описание двух устройств для осуществления описанных выше способов дифференциального контроля инверсии лазерной среды в геометрии:
1 - импульсного лазера с использованием спектрального способа (Фиг.1),
2 - оптического усилителя с использованием спектрального способа (Фиг.2),
В первом устройстве (Фиг.1) для дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды 10 импульсного лазера в процессе накачки используют следующие элементы:
- два оптоэлектронных преобразователя 4041, входы которых через узкополосные оптические фильтры 60, 61 параллельно подключены к оптическому Y-ответвителю 51, общий вход которого подключен к оптическому ответвителю 50 мощности ASE лазерной среды,
- контроллер 80 с двумя входными а.ц.п. 83, 84, для циклического приема в промежутках между импульсами выходных сигналов оптоэлектронных преобразователей, вычисления отношения их амплитуд, сравнения величины отношения с табличным значением и управления исполнительными устройствами посредством ц.а.п. 81, 82,
- первое исполнительное устройство - устройство накачки 20, изменяющее уровень накачки, вплоть до выключения для защиты от оптического пробоя,
- второе исполнительное устройство - мастер-осциллятор 30, формирующий входной стартующий импульс излучения, сбрасывающий инверсию населенности среды в исходное состояние.
Во втором устройстве (Фиг.2) для дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды 10 оптического усилителя в процессе накачки используют следующие элементы:
- два оптоэлектронных преобразователя 40, 41, входы которых через узкополосные оптические фильтры 60, 61 параллельно подключены к оптическому Y-ответвителю 51, общий вход которого подключен к оптическому ответвителю 50 мощности ASE лазерной среды,
- контроллер с двумя входными а.ц.п. 83, 84, для приема, в промежутках между импульсами, и дифференцирования во времени выходного сигнала оптоэлектронного преобразователя, вычисления отношения двух максимальных амплитуд, сравнения величины отношения с табличным значением и управления исполнительными устройствами посредством ц.а.п. 81,
- исполнительное устройство - устройство накачки 20, изменяющее уровень накачки, вплоть до выключения для защиты от оптического пробоя.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1. Блок-схема импульсного лазера с двумя спектральными каналами управления.
10 - активное волокно,
20 - накачка,
30 - мастер-осциллятор,
40, 41 - оптоэлектронные преобразователи,
50 - оптический ответвитель мощности,
51 - оптический Y-ответвитель,
60, 61 - селективные оптические фильтры,
70, 71 - выходные электрические сигналы оптоэлектронных преобразователей,
80 - контроллер,
81, 82 - ц.а.п.,
83, 84 - а.ц.п.,
90 - управляющий сигнал к мастер-осциллятору,
100 - управляющий сигнал к накачке,
110 - входное излучение оптического усилителя,
120 - выходное излучение оптического усилителя.
Фиг.2. Блок-схема оптического усилителя с двумя спектральными каналами управления.
10 - активное волокно,
20 - накачка,
40, 41 - оптоэлектронные преобразователи,
50 - оптический ответвитель мощности,
51 - оптический Y-ответвитель,
60, 61 - селективные оптические фильтры,
70, 71 - выходные электрические сигналы оптоэлектронных преобразователей,
80 - контроллер,
81 - ц.а.п.,
83, 84 - а.ц.п.,
100 - управляющий сигнал к накачке,
110 - входное излучение оптического усилителя,
120 - выходное излучение оптического усилителя.
Фиг.3. Осциллограмма оптического излучения импульсного лазера (выходного сигнала фотоэлектронного преобразователя) при постоянных уровне накачки и частоте следования импульсов мастер-осциллятора.
Фиг.4. Спектр (схематично) ASE при 4-х различных уровнях диодной накачки: кривые 1-4, по мере роста тока накачки Yb - усилителя.
Фиг.5. Спектр (анализатор - Anritsu) ASE в Еr - оптическом усилителе.
Фиг.6. Кинетика нарастания сигнала Р мощности ASE во времени в промежутках между импульсами.
Фиг.7. Осциллограмма выходных импульсов волоконного лазера на частоте следования 1 кГц.
Осуществление изобретения
Предложенные способы и устройства были апробированы применительно к волоконным импульсным лазерам и оптическим усилителям с активными волокнами различного типа в лазерных устройствах фирм ООО «НТО «ИРЭ-Полюс» (Россия), IPG Photonics (США), IPG Laser (Германия).
В качестве первого оптического ответвителя мощности 50 (Фиг.1, 2 и 7) можно использовать 1% ответвитель (возможно использование дополнительного аттенюатора 10-100 дБ при работе с большими мощностями). Отметим, что знание коэффициента аттенюации в предлагаемом изобретении не требуется, это существенно упрощает техническую сторону вопроса отведения излучения и позволяет использовать некалиброванный ответвитель менее 1%.
Второй оптический ответвитель оптимально использовать - 50%-ый Y-ответвитель. Волокна и сам ответвитель должны быт тщательно уложены вместе фильтрами (например, на основе волоконных брэгговских решеток) в лоток и могут быть подвергнуты заливке компаундом).
Оптоэлектонные преобразователи выполняют на основе фотоприемников, например серии ЕРМ6хх (JDSU).
Микроконтроллеры были применены фирмы SILICON LABORATORIES серии C8051F06x. Микроконтроллер принимает электрические сигналы на входы а.ц.п., осуществляет цифровую фильтрацию, дифференцирование, необходимые вычисления и сравнения с данными хранящимися в его памяти, с помощью ц.а.п. управляет диодной накачкой и мастер-осциллятором, изменяет мощность накачки и предотвращает от оптического пробоя.
Мастер-осциллятор представляет собой полупроводниковый лазер с прямой модуляцией или с внешним модулятором.
На Фиг.9 приведена осциллограмма выходных импульсов волоконного лазера на частоте следования 1 кГц, длина волны 1,06 мкм при двух разных уровнях накачки при пиковой мощности до 10 кВт.
Промышленная применимость.
Предложенные способы и устройства могут найти широкое применение в лазерной промышленности, в устройствах связи с оптическими усилителями, медицинских импульсных лазерах и в новых разработках.