НАСЫЩАЮЩИЙСЯ ПОГЛОТИТЕЛЬ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к области волоконных оптических лазеров, а именно к устройствам насыщающихся поглотителей, предназначенных для последующего их встраивания в резонаторы волоконных оптических лазеров.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен лазер с насыщающимся поглотителем, нанесенным на место перетяжки оптического волокна [заявка на получение патента CN104134926A, дата публикации 05.11.2014].
Основным недостатком данного насыщающегося поглотителя является наличие перетяжки оптического волокна, где интенсивность излучения очень велика, что ограничивает срок службы поглотителя.
Известен насыщающийся поглотитель, состоящий из интегрального светового элемента с насыщающимся поглотителем, оптическим изолятором и волноводным мультиплексором в едином корпусе [заявка на получение патента CN108155556A, дата публикации 12.06.2018].
Недостатком данного технического решения является большое число элементов конструкции, которые необходимо очень точно юстировать.
Также известен лазер с насыщающимся поглотителем на эффекте керровской нелинейности. Волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения, между первым и вторым коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее 1° [патент RU2564519C1, дата публикации 10.10.2015].
Основным недостатком известного лазера является наличие объемных элементов, и, по сути, насыщающийся поглотитель находится в «воздухе», что снижает срок его службы.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является насыщающийся поглотитель на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками, выполненный на одномодовом оптическом волокне, включающем сердцевину и оболочку с определенной толщиной, при этом пленка полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками расположена на поверхности, сполированной вдоль одной плоскости оболочки волокна [патент RU2485562C1, дата публикации 20.06.2013].
Недостатком конструкции насыщающегося поглотителя является то, что часть оболочки оптического волокна отполирована в продольной плоскости для получения плоской поверхности, на которую нанесена композитная пленка, что по сути можно рассматривать как дефект на волокне. Наличие дефекта на поверхности оптического волокна может привести к ухудшению модового состава излучения в лазере, что, в свою очередь, может привести к нестабильной работе лазера и, как следствие, к снижению срока службы самого насыщающегося поглотителя.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании новой конструкции насыщающегося поглотителя, который применяется в схемах импульсных волоконных лазеров, работающих в режиме синхронизации мод.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в повышении надежности работы насыщающегося поглотителя и повышении срока его службы за счет снижения оптической нагрузки на оптический элемент.
1
2
1
2
1
2
1
2
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что насыщающийся поглотитель волоконного лазера содержит оптический элемент, установленный в оптической розетке под углом α относительно вертикальной оси, находящимся в диапазоне от 4° до 8°, оптическое волокно длиной L, которое подводится к оптическому элементу с двух сторон посредством оптических разъемов, при этом оптическое волокно выполнено с увеличивающимся по длине диаметром, причем на торце меньшего диаметра оптическое волокно имеет диаметр сердцевины d и диаметр оболочки d, на торце большего диаметра оптическое волокно имеет диаметр сердцевины D и диаметр оболочки D, а длина L оптического волокна выбирается в соответствии с диаметрами d, d, D, D таким образом, чтобы обеспечить одномодовый режим распространения излучения по всей длине, кроме того торцы оптического волокна большего диаметра прилегают к поверхности оптического элемента с возможностью обеспечения оптического контакта.
1
2
1
2
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели диаметр d составляет от 2 до 8 мкм, диаметр d составляет от 80 до 200 мкм, диаметр D составляет от 20 до 200 мкм, диаметр D составляет от 125 до 600 мкм.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели используется оптическое волокно с сохранением поляризации.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели оптический элемент выполнен в виде пленки толщиной от 0,5 нм до 10 мкм.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели оптический элемент выполнен из графена или углеродных трубок.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 - представлен общий вид насыщающегося поглотителя, на фиг. 2 - представлен вид насыщающегося поглотителя (продольный разрез), на фиг. 3 - представлен вид А на фиг. 2, на фиг. 4 - представлен вид В на фиг. 2.
На чертежах позиции имеют следующие обозначения: 1 - оптическое волокно с изменяющимся диаметром, 2, 5 - оптический разъем, 3 - оптическая розетка, 4 - оптический элемент.
Оптический элемент 4 насыщающегося поглотителя установлен в оптической розетке (держателе) 3, размещенной между двумя оптическими разъемами 2, 5. Посредством оптических разъемов 2, 5 к оптическому элементу 4 с двух сторон подводят участки оптического волокна 1 длиной L с увеличивающимся по длине диаметром. Форма оптического волокна 1 должна иметь адиабатический профиль уширения (увеличения диметра) по длине, что обеспечивает распространение излучения в системе в одномодовом режиме.
В предпочтительном варианте реализации полезной модели оптический элемент 4 представляет собой пленку из графена или углеродных нанотрубок толщиной от 0,5 нм до 10 мкм. Минимальная толщина пленки 4 ограничена атомарной толщиной пленки графена. Максимальная толщина пленки 4 определяется уровнем поглощения излучения в самой пленке.
1
2
1
1
2
2
1
Диаметр d сердцевины 1.1 и диаметр d оболочки 1.2 на торце с меньшим диаметром оптического волокна 1 (фиг. 2), а также апертуры сердцевины и оболочки оптического волокна 1 должны быть согласованы по параметрам с волокном резонатора лазера (на чертежах не показано), в котором насыщающийся поглотитель будет применяться. Диаметр d может находиться в диапазоне от 2 до 8 мкм, в предпочтительном варианте реализации полезной модели диаметр d составляет 2 или 6, или 8 мкм; диаметр d может находиться в диапазоне от 80 до 200 мкм, в предпочтительном варианте реализации полезной модели d составляет 80 или 125, или 200 мкм. При несогласованных параметрах d и с параметрами волокна резонатора лазера увеличиваются потери и отражения в местах соединения, что увеличивает вероятность нестабильной работы волоконного лазера, что в конечном счете может привести к выходу из строя оптического элемента 4 насыщающегося поглотителя.
1
2
1
1
2
2
Диаметр D сердцевины 1.1 и диаметр D оболочки 1.2 на торце с большим диаметром (подходящем к пленке 4) оптического волокна 1 (фиг. 4) выбираются с учетом требуемой мощности для получения насыщения поглотителя. Диаметр D может находиться в диапазоне от 20 до 200 мкм, в предпочтительном варианте реализации полезной модели диаметр D составляет 20 или 25, или 30, или 50, или 100, или 200 мкм; диаметр D может находиться в диапазоне от 125 до 600 мкм, в предпочтительном варианте реализации полезной модели диаметр D составляет 125 или 250, или 400, или 600 мкм. Выбор большого диаметра снижает уровень оптической плотности на мощности на оптическом элементе 4 насыщающегося поглотителя, что повышает срок его службы.
1
2
1
2
Длина L участков оптического волокна 1 выбирается в соответствии с диаметрами d, d, D, D с тем условием, чтобы обеспечить адиабатический профиль уширения оптического волокна по длине (Knudsen S., Pedersen F. Т. Producing adiabatic fiber tapers. - 2014), т.е. оптическое волокно должно обеспечивать одномодовый режим распространения излучения по всей длине. Если уширение (изменение диаметра по длине) оптического волокна 1 будет неадиабатическим, то это приведет к модовой нестабильности и, как следствие, к нестационарному режиму работы волоконного лазера и преждевременному выходу из строя оптического элемента 4 насыщающегося поглотителя. Для повышения стабильности работы лазера целесообразно использовать оптическое волокно 1 с сохранением поляризации.
Оптический элемент 4 (фиг. 4) установлен в оптической розетке 3 под углом α к вертикальной оси, в предпочтительном варианте реализации полезной модели составляющим от 4° до 8°, в противном случае Френелевское отражение излучения на торцах оптического волокна 1 приведет к нестабильной работе лазера и, как следствие, к преждевременному выходу из строя оптического элемента 4 поглотителя. Минимальный угол полировки торца оптического волокна 1 определяется угловой апертурой волокна (NA=0,06-0,15 для одномодовых волокон) по формуле α=arcsin (NA). При данном угле излучение, отраженное от торца оптического волокна 1, уходит в оболочку, где быстро затухает.
Торцы оптического волокна 1, прилегающие к поверхности оптического элемента 4, сполированы под соответствующим углом для обеспечения контакта с поверхностью оптического элемента 4. Таким образом, обеспечивается оптический контакт полированных торцов волокна 1 с оптическим элементом 4, что не оказывает влияние на модовое распределение излучения и, как следствие, приводит к увеличенному сроку службы поглотителя.