СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ДЛИНЫ ВОЛНЫ УЗКОПОЛОСНОГО ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF STABILIZING WAVE LENGTH OF NARROW FIBER LASER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к приборам для генерации с использованием стимулированного излучения когерентных электромагнитных волн и может быть использовано в квантовых устройствах для генерирования, стабилизации, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, а именно к узкополосным волоконным лазерам, а, более конкретно, может быть использовано для таких приложений как когерентные оптические датчики, спектрометры высокого разрешения, источники излучения в прецизионных физических экспериментах, ЛИДАР, для интерферометрических комплексов PDV (Photonic Doppler Velocimetry) и других приложений, где необходима большая длина когерентности и высокая стабильность длины волны генерации.
Узкополосные волоконные лазеры отличаются от других типов волоконных лазеров узкой шириной спектральной линии, которая обычно составляет менее 1 кГц. Режим бегущей волны в кольцевом однонаправленном лазере позволяет избежать эффекта выжигания пространственных дыр в активной среде лазера, что обеспечивает узкую ширину спектральной линии излучения лазера. Одним из недостатков таких лазеров является большая длина резонатора, которая составляет обычно более 5 м, что делает такой лазер чувствительным к температурному дрейфу.
Длина волны генерации в узкополосном волоконном лазере с насыщающим поглотителем и брэгговской решеткой в качестве фильтрующего элемента определяется центральной длиной волны отражения Брэгговской решетки и собственной частотой кольцевого резонатора лазера.
Изменение температуры лазера, вследствие теплового дрейфа в корпусе устройства приводит к изменению оптической длины волокна в кольцевом резонаторе.
Различные свойства кварцевых волокон, используемых при сборке лазера (активное волокно, транспортное волокно, волокно, применяемое при изготовлении Брэгговской решетки), приводят к рассогласованному изменению собственной частоты кольцевого резонатора и центральной частоты отражения Брэгговской решетки при изменении температуры лазера.
При изменении температуры на 1°C, длине кольцевого резонатора 10 м, длине волны генерации 1.55 мкм, коэффициенте преломления кварца n=1.468, изменение собственной частоты кольцевого резонатора составит:
.
Изменение температуры на один градус приводит к рассогласованию резонансной частоты лазера и частоты отражения Брэгговской решетки на величину .
Рассогласование резонансной частоты и центральной частоты отражения Брэгговской решетки при изменении температуры приводит к модовой перестройке в лазере.
Известен способ компенсации теплового расширения волокна, основывающийся на его изготовлении из композитных материалов, имеющих отрицательные коэффициенты теплового расширения [Патент США US 006449293 B1 Temperature stabilization of optical waveguides; Патент США US 20040252387 A1 Temperature insensitive Mach-Zehnder interferometers and devices]. К недостаткам этого способа относится необходимость использования композитных материалов при изготовлении волокна, что является сложным технологическим процессом и ограничивает возможность использования стандартных волокон, существующих на рынке.
Существуют активные методы стабилизации длины волокна при тепловом расширении [Masato Yoshida, Keisuke Kasai, Masataka Nakazawa. Mode-Hop-Free, Optical Frequency Tunable 40-GHz Mode-Locked Fiber Laser // IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2007, VOL. 43, NO. 8, p. 704-708], которые основываются на компенсации длины волокна с помощью пьезоэлектрических элементов. К недостаткам таких методов относится необходимость использования дополнительных элементов (платы управления, пьезоэлектрические элементы), которые увеличивают массогабаритные характеристики лазера.
Ближайшего аналога к заявляемому способу, выбранного в качестве прототипа, в известном уровне техники не обнаружено.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте на полезную модель №112520, опубл. 10.01.2012 г., МПК H01S 3/067, под названием «Волоконный лазер», содержащее активное волокно, радиатор охлаждения, брэгговскую решетку и нагревательный элемент.
К недостаткам этого устройства следует отнести наличие теплового расширения активного волокна, сложность стабилизации длины волны и предотвращения модового перескока.
Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей, а именно повышение стабильности работы узкополосного волоконного лазера при изменении температуры окружающей среды, работающего в непрерывном режиме с шириной спектра генерации менее 20 кГц.
Технический результат, заключается в том, что удалось выровнять скорости теплового изменения собственной частоты кольцевого резонатора узкополосного волоконного лазера и максимума частоты отражения брэгговской решетки в узкополосном волоконном лазере за счет подавления модовой перестройки в нем.
Это достигается тем, что в способе стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера, заключающемся в том, что подавляют возникающий модовый перескок, выравнивая скорости изменения собственной частоты кольцевого резонатора узкополосного волоконного лазера и центральной частоты отражения волоконной брегговской решетки, термостатируя основание узкополосного волоконного лазера нагревательным элементом при температуре корпуса узкополосного волоконного лазера выше температуры окружающей среды, при этом нагрев основания узкополосного волоконного лазера осуществляют неравномерно с уменьшением температуры от центра к периферии основания, определяя распределение температуры по поверхности основания узкополосного волоконного лазера из соотношения
где
q - мощность нагревательного элемента;
p
b=2α/cδ - коэффициент температуроотдачи;
α - коэффициент поверхностной теплоотдачи;
p
c - удельная объемная теплоемкость;
δ - толщина основания узкополосного волоконного лазера;
λ - коэффициент теплопроводности металла;
а
- коэффициент температуропроводности металла;
0
K - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка;
2
2
2
r=x+у - точка расчета температуры на поверхности, а охлаждение основания производят через радиатор с воздушным охлаждением.
Кроме того, в способе стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера используют нагревательный элемент с пропорциональным, интегральным, дифференциальным регулятором.
А также это достигается тем, что узкополосный волоконный лазер, содержащий активное волокно, радиатор охлаждения, волоконную брэгтовскую решетку и нагревательный элемент, согласно изобретению, снабжен, расположенными по одной оси, термостатом, граничащим нагревательным элементом, и основанием, с размещенным на нем активным волокном, и установленным между нагревательным элементом и брэгговской решеткой, граничащей с радиатором охлаждения, при этом нагревательный элемент установлен с возможностью неравномерного нагрева основания с уменьшением температуры от центра к периферии основания, согласно соотношению
где
q - мощность нагревательного элемента;
р
b=2α/сδ - коэффициент температуроотдачи;
α - коэффициент поверхностной теплоотдачи;
p
c - удельная объемная теплоемкость;
δ - толщина основания узкополосного волоконного лазера;
λ - коэффициент теплопроводности металла;
а
- коэффициент температуропроводности металла;
0
K - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка;
2
2
2
r=x+у - точка расчета температуры на поверхности.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от близкого по технической сущности изобретения, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:
на фиг. 1 представлена предлагаемая конструкция узкополосного волоконного лазера;
на фиг. 2 представлена схема проведения оценочного расчета температурного поля на поверхности основания узкополосного волоконного лазера;
на фиг. 3 представлено расчетное распределение температуры по поверхности основания узкополосного волоконного лазера примера конкретного выполнения;
на фиг. 4 представлено расчетное распределение температуры по поверхности основания узкополосного волоконного лазера;
на фиг. 5 представлена стабильность длины волны генерации узкополосного волоконного лазера при изменении температуры основания узкополосного волоконного лазера:
на фиг. 6 представлена долговременная стабильность длины волны генерации узкополосного волоконного лазера и график зависимости температуры основания узкополосного волоконного лазера во время измерения при принудительной перестройке.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - основание узкополосного волоконного лазера;
2 - активное волокно;
3 - нагревательный элемент;
4 - термостат;
5 - волоконная брэгговская решетка;
6 - радиатор охлаждения.
Устройство (см. фиг. 1), реализующее данный способ, содержит активное волокно 2, радиатор охлаждения 6, волоконную брэгговскую решетку 5 и нагревательный элемент 3, с расположенными по одной оси, термостатом 4, граничащим с нагревательным элементом 3, и основанием 1, с размещенным на нем активным волокном 2, и установленным между нагревательным элементом 3 и волоконной брэгговской решеткой 5, граничащей с радиатором охлаждения 6, при этом нагревательный элемент 3 установлен с возможностью неравномерного нагрева основания 1 с уменьшением температуры от центра к периферии основания 1.
В рассматриваемой конструкции осуществляется термостатирование основания 1 узкополосного волоконного лазера. Термостатирование осуществляется нагревательным элементом 3 с пропорциональным, интегральным, дифференциальным (ПИД) регулятором при температуре основания 1 узкополосного волоконного лазера выше температуры окружающей среды. Охлаждение основания 1 узкополосного волоконного лазера осуществляется через радиатор 6 с воздушным охлаждением. В рассматриваемой конструкции (фиг. 1) при изменении мощности в нагревательном элементе 3 происходит изменение температуры активного волокна 2 узкополосного волоконного лазера и температуры волоконной брэгговской решетки 5, при этом изменение температуры в центре термостатируемого основания 1 узкополосного волоконного лазера и изменение температуры по краям основания 1 узкополосного волоконного лазера будут различны.
Описание принципа работы.
и
Для проверки предлагаемого технического решения и оценки геометрии лазера с термостатируемым основанием 1 узкополосного волоконного лазера был проведен тепловой расчет рассматриваемой конструкции (фиг. 1). Точный расчет термостатируемых систем сложная и многопараметрическая задача. Рассматриваемую конструкцию (фиг. 1) можно свести к упрощенному случаю стационарного переноса теплового потока в слое материала от нагревательного элемент 3. Перенос тепла осуществляется от нагревательного элемента 3 мощностью q через основание 1 узкополосного волоконного лазера толщиной δ. Граничные плоскости z=0 и z=δ отдают теплоту в окружающую среду за счет конвекции с коэффициентом теплоотдачи α. Задача сводится к нахождению распределения температуры T=f(x) на поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера в центрально симметричном относительно нагревательного элемента 3 случае. Процесс распространения тепла в основании 1 узкополосного волоконного лазера с поверхностной теплоотдачей описывается выражением:
где b=2α/cpδ - коэффициент температуроотдачи [1/с];
2
α - коэффициент поверхностной теплоотдачи [Дж/м⋅с⋅град];
3
ср - удельная объемная теплоемкость [Дж/м⋅град];
δ - толщина основания 1 узкополосного волоконного лазера [см];
λ - коэффициент теплопроводности металла [Дж/м⋅с⋅град];
а
2
- коэффициент температуропроводности металла [м/с].
-bt
Уравнение содержит множитель e, который учитывает теплоотдачу в окружающее пространство. Приращение температуры в точке А от мгновенного источника тепла составит:
H
Интегрируя от 0 до t и преобразовывая, получим:
2
2
2
где r = x+у.
н
Уравнение (3) выражает приращение температуры в основании 1 узкополосного волоконного лазера в стадии теплонасыщения. Предельное квазистационарное состояние достигается при t-→∞. В этом случае уравнение (3) интегрируется и принимает вид:
0
где K - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка.
Распределение температуры по поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера (алюминиевой пластины), вычисленное по зависимости (4) представлено на фиг. 3. Расчет проводился для основания 1 узкополосного волоконного лазера (алюминиевой пластины) толщиной 3 мм при мощности нагревательного элемента 3: q - 5 Вт.
Изменение температуры по поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера линейно зависит от мощности нагревательного элемента 3 (см. зависимость (4)). В рассматриваемом случае для выравнивания скоростей теплового смещения частот необходимо выбрать геометрию основания 1 узкополосного волоконного лазера (толщину, материал, эффективность теплоотвода), и расстояние от центра основания 1 узкополосного волоконного лазера до места расположения активного волокна 2, при которых перепад температур в центре (месте расположения волоконной брегговской решетки 5) и по краям основания 1 узкополосного волоконного лазера (месте расположения активного волокна 2) соответствовал:
peз
реш
Для рассматриваемой геометрии лазера Δf/Δf=1.24, соответствующее расстояние R от центра основания 1 узкополосного волоконного лазера до места укладки активного волокна 2 лазера в соответствии с графиком (фиг. 3) составит 1.12/1.14=60 мм.
На фиг. 4, для наглядности, представлены распределения температуры по поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера, например алюминиевой пластины толщиной 3 мм, с разными мощностями нагревательного элемента 3. Зависимости показывают, что при изменении мощности нагревательного элемента 3 изменение температуры в центре основания 1 узкополосного волоконного лазера (x=0, место расположения волоконной брэгговской решетки 5) будет в 1.14 раза больше, чем по радиусу на расстоянии x=60 мм (место расположения активного волокна 2 лазера). Таким образом, для рассматриваемой конструкции осуществляется выравнивание температурных скоростей смещения частоты волоконной брэгговской решетки и резонансной частоты лазера.
В экспериментальных исследованиях сборка узкополосного волоконного лазера осуществлялась в конструкцию, представленную на фиг. 1. В качестве основания 1 узкополосного волоконного лазера была выбрана алюминиевая пластина диаметром 140 мм и толщиной 3 мм. Активное волокно 2 крепилось на основании 1 узкополосного волоконного лазера по радиусу ~60 мм. Крепление активного волокна 2 к основанию 1 узкополосного волоконного лазера и волоконной брэгговской решетки 5 осуществлялось с помощью полимера одинаковой марки. На фиг. 5 представлены графики долговременной стабильности длины волны излучения узкополосного волоконного лазера, собранного по предлагаемой конструкции фиг. 1.
График фиг. 5 показывает:
- (а) режим генерации с модовой перестройкой термостат выключен (дрейф температуры в комнате),
- (б) режим генерации без модовой перестройки, термостат включен, что перестройка длины волны генерации повторяет изменение температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера во времени. Модовая перестройка не происходит даже при резком изменении температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера. Колебания длины волны генерации при резком изменении температуры лазера связаны с колебаниями мощности нагревательного элемента 3 при ПИД подстройке мощности нагревательного элемента 3.
На графике фиг. 6(a) показана стабильность длины волны генерации во время принудительной перестройки температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера, а (b)-изменение температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера во времени. Модовая перестройка не происходит даже при резком изменении температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера. Колебания длины волны генерации при резком изменении температуры лазера связаны с колебаниями мощности нагревательного элемента 3 при ПИД подстройке мощности нагревательного элемента 3.
Заявляемый способ позволил подавить модовый перескок узкополосного волоконного лазера при перестройке длины волны излучения в пределах 3 ГГц и при изменении температуры окружающей среды в течение 12 часов. На фиг. 5 и фиг. 6 для заявляемого технического решения представлены результаты стабилизации длины волны излучения узкополосного волоконного лазера при изменении температуры окружающей среды и возможность перестройки длины волны излучения без модового перескока в пределах 3 ГГц.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера и устройства для его осуществления и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».