Способ устойчивой автогенерации ультракоротких лазерных импульсов в поддерживающем состояние поляризации волоконном кольцевом резонаторе и лазер на его основе
METHOD OF STABLE AUTOGENERATION OF ULTRASHORT LASER PULSES IN A POLARIZING FIBER RING RESONATOR AND A LASER BASED ON IT

Область техники
Изобретение относится к способам автогенерации ультракоротких лазерных импульсов и лазерному устройству на его основе, а именно к импульсным волоконным лазерам с пассивной синхронизацией мод в поддерживающем поляризацию кольцевом резонаторе, содержащем нелинейный оптический элемент (НОЭ).
Предшествующий уровень техники
Лазеры ультракоротких импульсов пико- и фемто-диапазона широко применяются в различных областях техники для решения широкого круга задач как при обработке материалов в промышленности, так и в медицине при хирургических операциях. Особое место среди них занимают волоконные лазеры ввиду своей дешевизны, неприхотливостью в работе и обладающие высокой степенью надежности. В одномодовых кварцевых волоконных световодах, ярко проявляются эффекты, связанные с керровской нелинейностью, что успешно используется при проектировании импульсных кольцевых лазеров с пассивной синхронизацией мод.
В патенте RU 2605639 C1 реализована схема с кольцевым волоконным лазером с пассивной синхронизацией мод на эффекте нелинейной эволюции поляризации, содержащая поляризующий оптический изолятор, активное волокно, накачиваемое лазерным диодом, два управляемых микроконтроллером оптических волоконных поляризационных контроллера, которые являются слабым местом этой схемы, поскольку область их регулирования ограничена, и устойчивость генерации может быть сорвана как механическими, так и температурными факторами.
В патенте US 9276372 B2 в схеме кольцевого резонатора используют дискретные оптические элементы, схема не полностью волоконная, как следствие имеются лишние оптические потери при согласовании с волоконными участками. Фарадеевский ротатор в составе невзаимного элемента (который авторы назвали nonreciprocal phase shifter, англ.) - это дополнительный компонент, и у него, как известно, есть зависимость постоянной Верде от температуры, поэтому его желательно термостатировать. У постоянной Верде есть зависимость от длины волны, поэтому могут возникнуть проблемы с генерацией широких спектров, присущих ультракоротким импульсам.
В работе: Boivinet S. et al. All-Fiber 1-\(\mu\) m PM Mode-Lock Laser Delivering Picosecond Pulses at Sub-MHz Repetition Rate // IEEE Photonics Technology Letters. - 2014. - T. 26. - №. 22. - C. 2256-2259, для генерации ультракоротких импульсов был образован нелинейный оптический элемент в виде отрезка поддерживающего состояние поляризации волоконного световода (РМ-волокна), излучение в которое заводится под углом к медленной оси, поляризатором и фарадеевским зеркалом. Несовершенством этой схемы, как и в предыдущем примере, является использование фарадеевского ротатора со всеми его недостатками.
В работе: Wang Y. et al. Cross-splicing method for compensating fiber birefringence in polarization-maintaining fiber ring laser mode locked by nonlinear polarization evolution // Applied optics. - 2016. - T. 55. - №. 21. - C. 5766-5770, впервые использовался подход, когда линейное двулучепреломление одного волоконного световода компенсировалось другим таким же РМ-волокном, соединенным сваркой под 90 градусов по отношению к осям поляризации, без использования фарадеевского зеркала. Однако получить устойчивую генерацию и стабильность следования импульсов в такой схеме затруднительно из-за температурной нестабильности участков РМ-волокон и, как следствие, фазовой неустойчивости поляризационных компонент, которая также обусловлена неоднородностью волокон как по длине, так и по сечению.
В работе: Szczepanek J. et al. Ultrafast laser mode-locked using nonlinear polarization evolution in polarization maintaining fibers // Optics letters. - 2017. - T. 42. - №. 3. - C. 575-57, использовался подход, аналогичный предыдущему, но присутствует третий отрезок РМ-волокна со смещением по углу сварки. Режим синхронизации мод достигался тщательным выравниванием длин волокон, однако устойчивость импульсного режима генерации такой схемы кольцевого лазера была не на должном уровне и схема требует доработки, отсутствует устойчивость и термостабильность импульсной генерации.
В работе: И. Бычков, А. Баранов. Моделирование генерации ультракоротких импульсов в лазере на эффекте нелинейной эволюции полярицации в двух секциях оптических волокон, поддерживающих поляризацию // Квантовая электроника. - 2019 - Т. 49. - №8. - С. 762-767 - описано наиболее близкое техническое решение и проведено теоретическое численное моделирование предыдущего случая, но третий подбираемый участок РМ-волокна был заменен модельным перестраиваемым фазовым элементом. Обоснованы области стабильной работы в составном нелинейном оптическом элементе состоящем из двух отрезков поддерживающих поляризацию волокон L1 и L2, равных по длине и сваренных между собой с ортогональной ориентацией осей поляризации, и имеющем на входе и на выходе сварное соединение с волокном резонатора, рассогласованное по углу ориентации поляризационных осей в пределах острого угла меньше 40 градусов. Однако в исследовании отсутствует влияние внешних параметров среды - температуры на стабильность фазовых характеристик нелинейного оптического элемента, ввиду чего на практике наступает срыв импульсной генерации.
Настоящее изобретение предлагает способ и устройство для устойчивой автогенерации ультракоротких лазерных импульсов, свободные от указанных выше недостатков, в частности, из-за температурной неустойчивости.
Раскрытие изобретения
В изобретении предлагаются способ и устройство (лазер) для генерации ультракоротких лазерных импульсов с пассивной синхронизацией мод на известном эффекте нелинейного двулучепреломления в поддерживающем состояние поляризации волоконном световоде - в РМ-волокне, кольцевого резонатора, в котором формируют однонаправленное поляризованное излучение. Его усиливают на активном волоконном участке оптического усилителя, фильтруют в спектральной полосе нескольких нанометров после отвода из резонатора части усиленного излучения. Наличие нелинейного оптического элемента (НОЭ) на входе поляризатора приводит к возбуждению в кольцевом резонаторе импульсной генерации в режиме диссипативных солитонов, при котором достигается нелинейное двулучепреломление, а значит, и нелинейная эволюция поляризации. НОЭ состоит из двух отрезков оптического волокна L1 и L2, равных по длине и соединенных между собой сваркой с ортогональной ориентацией осей поляризации, и имеет на входе и на выходе сварные соединения с внешним волокном - контуром кольцевого резонатора, рассогласованные по углу ориентации поляризационных осей в пределах острого угла, меньше 40 градусов, причем на входе нелинейного оптического элемента осуществляют полосовую оптическую фильтрацию, а на его выходе - поляризацию выходного излучения по его медленной оси поляризации.
В отличие от известных схем построения таких импульсных лазеров, предлагаемый способ и устройство для возбуждения автогенерации ультракоротких лазерных импульсов отличаются повышенной устойчивостью генерации, термостабильностью, возможностью самовозбуждения и перехода в импульсный режим автогенерации при старте. Это является результатом применения двух контуров термокомпенсации за счет особой совместной укладки асимметричных частей отрезков волокна L1 и L2, образующих НОЭ. Каждый контур термостатирован и их термостабилизация осуществляется электронным контроллером при двух разных температурах Т1 и Т2, соответственно. Выбор температур этих двух контуров обеспечивает оптимальное соотношение линейной и нелинейной частей разности фаз поляризационных компонент оптической волны на выходе из НОЭ, при которой и достигается требуемая термостабильность и устойчивость режима автогенерации ультракоротких импульсов с самовозбуждением при старте при каждом включении лазера, что и является техническим результатом.
Другие преимущества и отличительные особенности предложенного изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания его осуществления, приведенного со ссылкой на прилагаемый чертеж, и его краткое описание.
Краткое описание чертежа
Фигура: блок-схема лазера ультракоротких импульсов с кольцевым резонатором.
1 - волоконный кольцевой резонатор,
2 - поддерживающий состояние поляризации волоконный световод (РМ-волокно),
3 - волоконный оптический поляризатор (ОР),
4 - оптический усилитель (OA),
5 - оптический изолятор (ISO),
6 - оптический ответвитель (РМ CP) на РМ-волокне,
7 - полосовой оптический фильтр (BOF),
8 - отрезок АВ РМ-волокна НОЭ (отрезок L1),
9 - отрезок ВС РМ-волокна НОЭ (отрезок L2),
10 - котроллер управления (CONT) на основе микроконтроллера,
11 - первый контур термостата с температурой Т1,
12 - второй контур термостата с температурой Т2,
13 - оптический анализатор спектра (OSA) для анализа выходного излучения.
А - входное соединение НОЭ с РМ-волокном резонатора (на выносной пунктирной линии указано угловое рассогласование поляризационных осей: 30°), В - внутреннее ортогональное соединение РМ-волокном в НОЭ, С - выходное соединение НОЭ с РМ-волокном резонатора (на выносной пунктирной линии указано угловое рассогласование поляризационных осей: - 30°).
Осуществление изобретения
На фигуре представлена блок-схема лазера ультракоротких импульсов с кольцевым резонатором 1, выполненным на РМ-волокне 2, все элементы по конструкции волоконные: оптический поляризатор (ОР) 3, оптический усилитель (OA) 4 мощности излучения, оптический изолятор (ISO) 5, оптический ответвитель (РМ CP) 6 на РМ-волокне, полосовой оптический фильтр (BOF) 7, спектральный фильтр необходим для обеспечения работы лазера в режиме диссипирующих солитонов. Как известно, для достижения режима пассивной синхронизации мод в резонаторе должен располагаться, так называемый нелинейный оптический элемент (НОЭ). Это элемент, у которого пропускание зависит от входной мощности излучения. А именно, при увеличении входной мощности пропускание должно увеличиваться. В данной схеме для создания такого элемента используется эффект нелинейной эволюции поляризации. В кольцевом резонаторе содержится нелинейный оптический элемент в виде соединенных в точке В двух отрезков АВ и ВС оптического волокна, длиной L1 и L2, соответственно, равных по длине и соединенных между собой сваркой с ортогональной ориентацией осей поляризации, и имеющий на входе в точке А и на выходе в точке С сварные соединения с внешним волокном - контуром кольцевого резонатора, рассогласованные по углу ориентации поляризационных осей в пределах острого угла, меньше 40 градусов, причем на входе НОЭ осуществляют полосовую оптическую фильтрацию, а на его выходе - поляризацию выходного излучения по медленной оси световода.
В известных ранее подобных схемах кольцевых резонаторов не уделялось достаточного внимания способу укладки волокна НОЭ. Но этот фактор имеет решающее значение и оказывает заметное влияние на устойчивость импульсного режима генерации при самовозбуждении резонатора.
В оптическом усилителе 4 в качестве активной среды обычно используют оптическое волокно, легированное ионами иттербия, если требуется получить усиление излучения вблизи длины волны 1,0 мкм. Для усиления в других оптических диапазонах используют ионы иных редкоземельных элементов - Er, Но, Tm и др.
L
L
Для обеспечения однонаправленной генерации в оптической схеме 1 используют оптический изолятор 5. Волоконный ответвитель 6 используют для вывода к потребителю полезной части мощности из резонатора, а также для анализа спектральных характеристик или для дальнейшего сжатия импульса и получения ультракоротких фемтосекундных импульсов. В изобретении НОЭ образован двумя отрезками РМ-волокна с длинами L1 и L2, поляризатор 3 подключен к его выходу в точке С. При этом отрезки оптических волокон L1 и L2 выравнены с точностью до длины биений (около 2 мм) волоконного световода, поддерживающего состояние поляризации. Известно, что у РМ волокон есть зависимость длины биений от температуры. Например, при нагреве одного метра волокна Nufern РМ980-ХР на один градус Цельсия изменение разности фаз составит примерно 3,5 рад. Поэтому, меняя температуры волокон, можно изменять сдвиг фаз Δϕ между излучением, распространяющимся в быстрой и медленной осях РМ-волокна. Например, для отрезка длиной 10 см изменение линейной компоненты разности фаз Δϕ=π произойдет уже при нагреве на 10 градусов, соответственно при нестабильности температуры в пределах 0,1 градуса - нестабильность линейной части разности фаз составит 0,01π радиан, или 1,8 угловых градусов.
Пропускание Tr НОЭ с поляризатором 3 на выходе, блокирующим излучение вдоль быстрой оси волокна, описывается формулой (при условии, что на входе большая часть линейно-поляризованного излучения распространяется вдоль медленной оси):
L
NL
L
NL
где Θ - угол ввода излучения в волокно L1; Δϕ, Δϕ - соответственно линейный и нелинейный сдвиги фаз между двумя поляризационными модами. Δϕ вызван разными длинами L1 и L2 и разным линейным двулучепреломлением этих волокон (например, вследствие их разной температуры). Δϕ вызван эффектами фазовой самомодуляции и фазовой кросс-модуляции между двумя поляризационными модами. Предполагается, что угол между осью волокна L2 и РМ-волокном к поляризатору отрицательный, противоположный углу на ходе в НОЭ и равен: -Θ. При равных углах Θ по входу и выходу из НОЭ линейная компонента разности фаз сместится на π радиан.
NL
NL
L
Таким образом, подбирая температуры термостатов Т1 и Т2 можно создать в резонаторе большие потери для непрерывного излучения, когда отсутствует импульс (т.е. создать малое пропускание Tr вплоть до нуля, поскольку для непрерывного излучения малой мощности Δϕ=0). Как известно для самовозбуждения импульсного режима генерации функция пропускания Tr нелинейного элемента (после поляризатора) должна иметь ненулевое значение и ненулевую положительную производную при малых входных мощностях. В этом случае малое увеличение входной мощности излучения будет приводить к увеличению пропускания Tr за счет дополнительного нелинейного набега фаз Δϕ. Как математическое моделирование, так и опыты показывают, что для возбуждения устойчивой импульсной генерации оптимально иметь начальную разность фаз около Δϕ=0,1π. В случае предлагаемой оптической схемы этого легко можно достигнуть выбором и стабилизацией температур Т1 и Т2 двух волоконных контуров НОЭ с помощью двух термостатов.
Таким образом, в изобретении предлагаются способ и устройство для генерации ультракоротких лазерных импульсов с пассивной синхронизацией мод, основанные на известном эффекте нелинейного двулучепреломления в поддерживающем состояние поляризации волоконном световоде (в РМ-волокне) кольцевого резонатора 1 (фигура), состоящие в формировании однонаправленного, посредством оптического изолятора 5 поляризованного излучения, с помощью оптического поляризатора 3, в кольцевом резонаторе после прохождения активного волоконного участка для оптического усиления в усилителе 4, предварительно поляризованного излучения, с оптической фильтрацией импульсов на полосовом оптическом фильтре 7 после отвода из резонатора волоконным оптическим ответвителем 6 части усиленного излучения, что приводит к возбуждению в кольцевом резонаторе импульсной генерации в режиме диссипативных солитонов, при котором нелинейное двулучепреломление (нелинейная эволюция поляризации) достигается в известном составном волоконном нелинейном оптическом элементе (НОЭ), состоящем из двух отрезков оптического волокна АВ и ВС (L1 и L2, соответственно) равных по длине и соединенных между собой сваркой с ортогональной ориентацией осей поляризации, и имеющем на входе и на выходе сварные соединения с внешним волокном - контуром кольцевого резонатора, рассогласованные по углу ориентации поляризационных осей в пределах острого угла, меньше 40 градусов, причем на входе нелинейного оптического элемента осуществляют полосовую оптическую фильтрацию, а на его выходе - поляризацию выходного излучения по медленной оси световода.
Предлагаемый способ и устройство отличаются от известных решений тем, что самовозбуждение и устойчивую автогенерацию импульсного излучения в кольцевом резонаторе 1 на РМ-волокне 2 обеспечивают за счет оптимального температурного согласования и стабилизации фазового сдвига поляризационных компонент оптической волны, ее линейной и нелинейной составляющей фазы, на выходе НОЭ, а именно осуществляют:
- предварительный выбор и фиксацию температур Т1 и Т2 (а при дальнейших стартах генерации эти выбранные значения не требуют повторного подбора) двух волоконных контуров НОЭ, соответственно, при которых обеспечивается устойчивый режим самовозбуждения и автогенерации ультракоротких импульсов;
L
- термостатирование при фиксированных температурах Т1 и Т2 каждого волоконного контура НОЭ, включая места их соединения в резонаторе по входу и выходу, для ликвидации дрейфа фазового рассогласования поляризационных компонент оптических волн по двум осям поляризации РМ-волокна на выходе из НОЭ, когда один из контуров содержит ортогонально ориентированное соединение неравных частей отрезков L1 и L2 РМ-волокон, а другой - оставшиеся части и их наружные соединения (вход и выход НОЭ) с РМ-волокном кольцевого резонатора, причем выбором и фиксацией температур этих контуров достигается ненулевое значение линейной компоненты разности фаз Δϕ излучения по двум осям поляризации РМ-волокна на выходе из НОЭ, в то же время, за счет совместной укладки волоконных участков отрезков L1 и L2 в двух термостатируемых контурах, достигают дополнительно частичной температурной компенсации неоднородности двулучепреломления и дрейфа фаз поляризационных компонент на равных участках отрезков L1 и L2 в каждом контуре и в промежутке между контурами.
Существенно, что волоконный вход и выход НОЭ ввариваются в кольцевой резонатор под равными значениями, независимо от знака, угловых смещений поляризационных осей по отношению к волокну резонатора в диапазоне от 10 до 40 угловых градусов, оптимально под углом 30 угловых градусов.
L
Существенно, что разность фаз поляризационных компонент оптических волн по двум осям поляризации на выходе НОЭ, в отсутствие нелинейной эволюции поляризации, Δϕ фиксирована выбором температур двух контуров НОЭ и лежит в пределах 15÷25 угловых градусов, оптимально равна 20 угловым градусам.
Предложенный способ автогенерации ультракоротких импульсов может быть реализован в устройстве как лазер ультракоротких импульсов, в корпусе (на фигуре наличие корпуса подразумевается) которого содержатся: электронный контроллер 10 (CONT) для управления волоконным оптическим усилителем 4, волоконных кольцевой резонатор 1 с пассивной синхронизацией мод на поддерживающем поляризацию волокне 2 (на РМ-волокне), а также в резонаторе имеются следующие оптические элементы:
- волоконный нелинейный оптический элемент (НОЭ), включающий два отрезка волокна L1 и L2, равных по длине и соединенных между собой с ортогональной ориентацией осей поляризации, и имеющий на входе и на выходе соединения с внешним РМ-волокном - контуром кольцевого резонатора, рассогласованные по углу ориентации поляризационных осей;
- волоконный поляризатор 3;
- волоконный усилитель мощности излучения 4;
- изолятор 5;
- волоконный ответвитель 6;
- полосовой оптический фильтр 7.
Предлагаемое в изобретении устройство лазера самостоятельно при включении переходит в режим самовозбуждения и автогенерации по описанному выше способу. Устройство отличается от известных тем, что самовозбуждение и устойчивую автогенерацию импульсного излучения в кольцевом резонаторе 1 лазера на РМ-волокне 2 обеспечивают за счет оптимального температурного согласования и стабилизации фазового сдвига поляризационных компонент оптической волны, ее линейной и нелинейной составляющей разности фаз, на выходе НОЭ, что достигается посредством двух управляемых электронным контроллером 10 термостатов 11 и 12, соответственно, а именно обеспечивают:
- предварительный выбор и фиксацию температур термостатов Т1 и Т2 (а при дальнейших стартах генерации эти выбранные значения не требуют повторного подбора и хранятся в памяти электронного контроллера 10), в которых размещены два волоконных контура НОЭ, соответственно, для достижения устойчивого температурного режима самовозбуждения и автогенерации ультракоротких импульсов;
L
- термостатирование при фиксированных температурах Т1 и Т2 каждого волоконного контура НОЭ, включая места его соединения внутри и снаружи по входу и выходу НОЭ, в соответствующем термостате 11 и 12, для ликвидации температурного дрейфа фазового рассогласования поляризационных компонент оптических волн по двум осям поляризации РМ-волокна на выходе НОЭ, когда один из контуров содержит ортогонально ориентированное соединение в точке В неравных частей отрезков L1 и L2 РМ-волокон, а другой - оставшиеся части и их наружные соединения в точках А и С (вход и выход НОЭ) с РМ-волокном 2 кольцевого резонатора 1, причем выбором и фиксацией температур Т1 и Т1 этих контуров в термостатах достигается ненулевое значение линейной компоненты разности фаз Δϕ излучения по двум осям поляризации РМ-волокна на выходе из НОЭ, и в то же время, за счет совместной укладки волоконных участков отрезков L1 и L2 в двух термостатируемых контурах, достигают частичной температурной компенсации неоднородности двулучепреломления и дрейфа фаз поляризационных компонент на равных участках отрезков L1 и L2 в каждом контуре и в промежутке между контурами.
Существенно, что волоконный поляризатор, как вариант, располагают в термостатируемом контуре вместе с выходным соединением НОЭ, или в отдельном третьем термостате при фиксированной температуре Т3.
Существенно, что электронный контроллер 10 обеспечивает управление и стабилизацию температур Т1 и Т2 термостатов посредством контрольно-измерительных электрических цепей с точностью не хуже 0,5 градуса Цельсия.
Существенно, что после вывода части излучения за пределы резонатора через волоконный ответвитель 6 длительность лазерного пикосекундного импульса может составлять около 5÷15 пс с энергией до 5 нДж при частоте следования 5÷25 МГц.
Существенно, что после вывода излучения за пределы резонатора через волоконный ответвитель 6 длительность лазерного пикосекундного импульса с уширенным спектром излучения на 15÷30 нм, на центральной длине волны около 1030 нм, и нормальным (положительным) линейным чирпом может быть дополнительно уменьшена до фемтосекундного диапазона на устройстве с аномальной дисперсией групповых скоростей (например, на паре диффракционных решеток).
Пример осуществления изобретения
Для осуществления изобретения было собрано устройство в соответствии с фигурой. Оптическая схема кольцевого резонатора импульсного иттербиевого лазера с пассивной синхронизацией мод, самовозбуждаемого и переходящего в режим автогенерации на центральной длине волны 1030 нм была выполнена на стандартных оптических элементах и содержала:
- кольцевой резонатор 1 на РМ-волокне 2: Nufern РМ980-ХР,
- два последовательных волоконных поляризатора, с экстинцией по 20 дБ,
- иттербиевый оптический усилитель 4, с диодной накачкой на длине волны 980 нм, при средней оптической диодной мощности накачки 2 Вт, при длине активного волокна 1,2 м,
- волоконный изолятор 5,
- 25% - ответвитель 6 для вывода излучения из резонатора,
- полосовой оптический фильтр 7 с полосой пропускания 6 нм по уровню -3 дБ на центральной длине волны 1030 нм,
- электронный контроллер, собранный на базе микроконтроллера серии C8051F125, обеспечивал управление и стабилизацию температур термостатов посредством контрольно-измерительных электрических цепей с точностью не хуже 0,5 градуса Цельсия.
Пассивная синхронизация мод при старте и переход в режим устойчивой автогенерации осуществлялась подбором уровня оптического усиления и температур: Т1 и Т2 двух контуров НОЭ, в которых асимметрия по длине уложенных отрезков волокон L1 и L2 составляла около 10 см при суммарной длине 5,5 м. Температуры Т1 и Т2 могут отличаться на 15 градусов Целься от одного изготовленного прибора к другому.
Устройство обеспечило устойчивую работу после настройки под управлением микроконтроллера при подобранных температурах контуров: T1=40°С, Т2=45°С. Частота следования ультракоротких импульсов длительностью около 10 пс - 13,5 МГц, с энергией в импульсе 3,5 нДж при мощности накачки в оптическом усилителе 2 Вт, ширина спектра на центральной длине волны 1030 нм составляла около 21,6 нм. Импульс при этом имел нормальный (положительный) линейный чирп и был дополнительно сжат на паре дифракционных решеток до значения 150 фс.
Изобретение может быть использовано в лазерной промышленности, медицине, в спектроскопии, в оптических линиях связи, а также для решения разнообразных фундаментальных и прикладных задач во всех областях, где предъявляются повышенные требования к стабильной, устойчивой генерации ультракоротких импульсов фемтосекундного диапазона с широким спектром лазерного излучения заданной ширины и мощности.