ВОЛОКОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ГЕНЕРАТОР С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД
FIBRED CIRCULAR GENERATOR WITH PASSIVE MODE SYNCHRONIZATION

Предпосылки к созданию настоящего изобретения
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к короткоимпульсным волоконным кольцевым лазерным системам. В частности, настоящее изобретение относится к волоконному кольцевому резонатору с пассивной синхронизацией мод, выполненному с возможностью генерировать субнаносекундные гигантские чирпированные импульсы.
Терминология
Под аномальной дисперсией материала подразумевается материал, в котором показатель преломления увеличивается, постепенно увеличивая длину волны.
Полоса пропускания - это диапазон длины волны, используемый для обозначения специфической части спектра, пропускающего энергию падающего потока.
Блокирующий диапазон - это интервал длин волн, используемый для обозначения области спектра энергии, ослабляемой фильтром.
Средняя длина волны (CWL) - средняя точка между половиной максимальной амплитуды на коротком и длинном наклоне длины волны.
Чирпированный импульс - это импульс, в котором мгновенная средняя длина волны (частота) меняется на протяжении всего импульса в интервале времени.
Требуемый импульс - это импульс с требуемой шириной и продолжительностью спектра, созданного в кольцевом резонаторе.
Дисперсия - это зависимость скорости распространения света в материале (или показатель преломления) на длине волны.
Изолятор - устройство, обеспечивающее пропускание света только в одном направлении.
Линейность - в общем случае это математическая зависимость, которая может быть представлена графически как прямая линия, как в двух количествах, которые прямо пропорциональны друг другу.
Линейно-частотная модуляция - это модуляция импульса, при которой частота меняется по линейному закону в интервале времени.
Нелинейность - взаимодействие света с веществом в режиме, в котором ответная реакция материала на действие электромагнитного поля является нелинейной в амплитуде этого поля.
Нелинейное приращение фазы - нелинейное увеличение фазы относительно амплитуды электрического поля; одним примером нелинейного приращения фазы является увеличение ширины спектральной составляющей светового импульса за счет нелинейного явления фазовой самомодуляции.
Нормальная (положительная) дисперсия материала относится к материалу, в котором показатель преломления уменьшается с постепенным увеличением длины волны.
Оптические фильтры выполнены с возможностью выборочно пропускать свет в конкретном диапазоне длин волн, одновременно блокируя остальные. Они обычно пропускают только волны большой длины - фильтры пропускания длинных волн или только волны небольшой длины - фильтры пропускания коротких волн.
Оптическая длина пути - произведение геометрической длины пути и показателя преломления.
Периодическое (граничное) условие осциллятора - повторяемость параметров импульса после каждого прохождения через кольцевой резонатор.
Фаза - часть цикла волны, который завершился относительно начала координат.
Сдвиг фаз - две несовпадающие многократные волны. Сдвиг фаз может возникнуть вследствие разницы оптических длин путей соответствующих одинаковых волн.
Питч - вырабатываемый импульс света, двигающийся предварительно по кольцевому резонатору, характеристики которого в точках кольцевого резонатора отличаются от одного двустороннего прохода к другому.
р
Продолжительность импульса τ - это ширина интервала времени, в котором мощность составляет по меньшей мере половину пиковой мощности (FWHM).
Сверхкороткие импульсы - это импульсы в пикосекундном - фемтосекундном диапазоне продолжительности импульса.
Энергия импульса - это произведение пиковой мощности и ширины импульса (это справедливо для квадратичной аппроксимации импульса, однако, поскольку речь идет о части импульса с более высокой мгновенной интенсивностью, чтобы объяснить работу нелинейного зеркала в виде петли усиления (NALM), необходимо перефразировать это определение следующим образом: область под кривой импульса с временной интенсивностью), особенно область в пределах импульса.
Коэффициент добротности - отношение сохраненной энергии к энергии, рассеянной за один двусторонний проход.
Спектральная область - это характеристика импульс света, описывающая конечную ширину спектра (полосу пропускания) даже в импульсе с постоянной мгновенной частотой (т.е. импульс без чирпа).
Фазовая самомодуляция (SPM) - это явление, которое возникает из зависимости показателя преломления среды от интенсивности импульса света и которое проявляется в виде спектральной и временной модуляции, предусматривающей расширение импульса света.
Автомодельный импульс («симиляритон») - это параболический импульс, способный преобразовывать фазу, полученную в ходе нелинейного процесса, в ЛЧМ-импульс.
Сигнал - это импульс света, вырабатываемый из питча и характеризующийся непрерывным изменением параметров во время единственного двустороннего прохода, но при этом имеющего одинаковые характеристики в любой точке кольцевого резонатора во время выполнения последовательных двусторонних проходов.
Короткий импульс - это импульс, продолжительность которого находится в субнаносекундном диапазоне.
Солитон - это чирпированный импульс, который сохраняет свою временную и спектральную форму во время прохождения по кольцевому резонатору.
Временная область - это характеристика импульса света относительно оптической мощности Р, т.е. количество энергии в единицу времени, которая ощущается только в коротком интервале времени и приближается к нулю в любой момент времени.
Переходной импульс - это вырабатываемый импульс, направляемый по кольцевому резонатору и характеризующийся шириной и продолжительностью спектра, отличающейся (может быть меньше или больше, в частности с течением времени), от ширины и продолжительности спектра требуемого импульса.
Уровень техники
Короткоимпульсные волоконные лазерные системы, предлагающие инновационные архитектуры и более высокую пиковую интенсивность импульса в сочетании с высокими частотами повторений генерирования импульсов помогают в производстве компонентов, отличающихся высочайшим качеством, точностью и быстротой. За счет короткой продолжительности импульсов лазерная энергия может входить в материал за меньшее время, чем необходимо для нагрева, тем самым предотвращая тепловое разрушение детали. Неудивительно, что промышленные субнаносекундные лазерные системы находят широкое применение от области устройств медицинского назначения до других многочисленных сфер промышленности.
Импульсная лазерная система обязательно должна содержать генератор импульсов или осциллятор с лазерным резонатором. Частоты, циркулирующие в резонаторе и характеризующиеся больше усилением, чем потерями, называются продольными модами и могут рассматриваться как группа независимых осцилляторов. Циркулируя в резонаторе, продольные моды разделяются на ΔF=v/L для волоконного лазера, содержащего кольцевой резонатор, который в данном случае представляет особый интерес, где L - это длина резонатора, a v - скорость света. Пока эти моды колеблются независимо друг от друга, лазер непрерывно генерирует излучение. Однако если между различными модами присутствует фиксированный сдвиг фаз, резонатор будет испускать серию импульсов и превратится в резонатор с синхронизацией мод.
Известны несколько способов генерирования сверхкоротких импульсов. Один из таких способов - пассивная синхронизация фаз - является частью раскрываемого объекта изобретения. Основой пассивной синхронизации мод является наличие в кольцевом резонаторе по меньшей мере одного компонента, нелинейно откликающегося на увеличение пиковой интенсивности. Известны несколько архитектур для осуществления способа пассивной синхронизации мод.
Одной из таких архитектур является нелинейное вращение поляризации (NLPR), разобраться в котором поможет кольцевой резонатор, показанный на фиг. 1. Изолятор поляризации, установленный между двумя контроллерами поляризации, выполняет функцию синхронизирующего моды элемента. Он играет двойную роль изолятора и поляризатора, за счет чего свет, выходящий из изолятора, линейно поляризуется. Контроллер поляризации, установленный после изолятора, меняет состояние поляризации на эллиптическое. Состояние поляризации нелинейно меняется во время прохождения импульса за счет сдвига фаз, вызванного самомодуляцией и взаимной модуляцией, налагаемого на ортогонально поляризованные компоненты. Состояние поляризации неравномерно во всем импульсе ввиду зависимости интенсивности нелинейного сдвига фаз. Второй контроллер поляризации (установленный перед изолятором) настраивают таким образом, чтобы он принудительно делал поляризацию линейной в центральной части импульса. Изолятор поляризации обеспечивает прохождение центральной интенсивной части импульса, но при этом блокирует (поглощает) хвосты импульсов с низкой интенсивностью. В конечном результате импульс укорачивается после одного двустороннего прохода внутри кольцевого резонатора. Таким образом зависящий от поляризации изолятор, работая совместно с двулучепреломляющим волокном, может генерировать зависящие от интенсивности потери.
Разнообразие сверхвысокоэнергетичных импульсов можно успешно воспроизвести с помощью архитектуры NLPR, содержащей солитоны, солитоны на активной волноводной структуре, как правило, с обычной резонансной дисперсией и симиляритоны. Однако для контроллеров поляризации необходима сложная обратная связь с системой точной настройки. Процесс NLPR сильно зависит от изменений окружающей среды и условий компоновки. Как следствие, очень сложно соблюсти условия периодичности, т.е. воспроизводимость характеристик импульса в одном и том же месте после каждого двустороннего прохода по лазерному резонатору.
Интерферометрическая волоконная архитектура делится на два общих типа: нелинейное зеркало в виде оптической петли (NOLM), показанное на фиг. 2А, и нелинейное зеркало в виде петли усиления (NALM), показанное на фиг. 2В. Оба эти устройства работают по принципу интерферометра Саньяка. Последний выполнен из сплавленного волоконного ответвителя, выходные порты которого соединены друг с другом, образуя петлю, а встречные интенсивности Ic (двигающаяся по часовой стрелке) и Icc (двигающаяся против часовой стрелки) сделаны неравными либо за счет деления веток ответвителя не по 50% (NOLM), либо за счет расположения встроенного волоконного усилителя ближе к одному из портов ответвителя (NALM).
Оптические опорные сигналы с неодинаковыми интенсивностями получают дифференциальный фазовый сдвиг, достигаемый за счет нелинейного показателя преломления. Например, на фиг. 2А ответвитель делит интенсивность света сигнала между (50-n) % (Icc), движущегося против часовой стрелки в проходящем опорном сигнале с интенсивностью Icc, и (50+n) % (Ic), движущегося по часовой стрелке в опорном сигнале. Таким образом, если опорный сигнал Ic, движущийся по часовой стрелке, обладает достаточной интенсивностью для создания нелинейного отклика волокна, т.е. для возбуждения SPM, a Icc другого опорного сигнала низкая, между частями встречных опорных сигналов с разными мгновенными интенсивностями возникнет существенный дифференциальный сдвиг фаз. Проходя через сплавленный ответвитель, опорные сигналы мешают друг другу. Только части опорных сигналов с несовпадающими фазами, которые соответствуют верхушкам высокоинтенсивных импульсов, конструктивно сталкиваются в результате процесса SPM во время прохождения через петлю, тем самым образуя известное NALM.
Лазеры, работающие в соответствии с интерферометрическими архитектурами синхронизации фаз, представляют собой относительно новую и редко используемую конструкцию, что затрудняет обсуждение о практических преимуществах или недостатках этого конкретного подхода. Однако архитектура NOLM/NALM, как и NLPR, может и не обладать требуемой устойчивостью, т.е. выходящие импульсы могут быть неравномерными. Неравномерность импульсов приводит к низкой эффективности лазера. Более того архитектура NOLM/NALM, как и NLPR, непростая и не особенно экономичная.
Поэтому существует необходимость в абсолютно новой простой и прочной конструкции архитектуры для осуществления пассивной синхронизации фаз в генераторе импульсов с кольцевым резонатором, способной производить на выходе равномерные и высокоэнергетичные субнаносекундные импульсы света.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
В отличие от известных архитектур, предназначенных для генерирования чирпированного импульса, раскрываемый кольцевой резонатор не содержит отдельные элементы с нелинейным откликом. Другими словами, когда импульс проходит через каждый отдельный элемент, интенсивность спектральной составляющей меняется только линейно.
Нелинейный эффект, обеспечиваемый конструкцией согласно настоящему изобретению, возникает вследствие генерирования новых спектральных составляющих во время изменения импульса внутри кольцевого резонатора. Именно эти новые спектральные составляющие обеспечивают нелинейное изменение пиковой интенсивности импульса, проходящего через два спектральных фильтра, которые центрированы на разных центральных длинах волн. Новые спектральные составляющие повышают конкурентоспособность процесса синхронизации мод за счет более низких потерь на синхронизацию в сравнении с другими типами генерирования, например непрерывное излучение и модуляция добротности.
Конструкция в соответствии с настоящим изобретением может генерировать импульсы различных типов, включая солитоны, симиляритоны и прочее, и, в частности, является предпочтительной для генерирования сверхкоротких импульсов с гигантским чирпом. Для генерирования гигантского чирпированного импульса важное значение имеют две стадии установления режима пассивной синхронизации фаз короткоимпульсного генератора: (a) отфильтровывание импульса с узким спектром из более широкого импульса, и (b) увеличение ширины узкого импульса как по частоте, так и по времени за счет нелинейных эффектов, влияющих на свет в длинном волокне. Результатом этих двух стадий является линейный положительно чирпированный импульс, показанный на фиг. 3, т.е. импульс, ширина которого больше как в спектральной, так и во временной областях, чем у начального импульса, и который имеет несущую частоту, линейно меняющуюся в импульсе. Линейность несущей частоты важна для дальнейшего сжатия растянутого импульса.
Специалисту в области лазерной техники хорошо известна причина создания чирпированного импульса - это необходимость немного уменьшить пиковую интенсивность импульса лазеров (и усилителей), поскольку пагубные нелинейные эффекты и оптические разрушения могут отрицательно сказаться на работе генератора импульсов (и усилителя). Решение этой задачи заключается в увеличении продолжительности импульса или чирпировании, сохранении пиковой мощности на безопасных уровнях и в последующем сжатии выходящего импульса до первоначальной продолжительности после одной или нескольких последовательных ступеней усиления.
Генератор гигантских чирпированных импульсов в соответствии с настоящим изобретением содержит кольцевой волоконный волновод или резонатор, направляющий свет в одном направлении. Волоконный волновод содержит волоконный изолятор, обеспечивающий требуемую направленность света, проходящего в кольцевом волоконном волноводе. Множество волоконных компонентов, образующих кольцевой волоконный волновод, образуют множество волоконных групп, каждая из которых обязательно должна содержать один усилитель, одну волоконную катушку и один спектральный фильтр. На ступени пуска генератора импульсов в соответствии с настоящим изобретением в ответ на эталонные импульсы, испускаемые от внешнего источника затравки, или искусственно созданные генераторами накачки шумы в первом волоконном усилителе спонтанное излучение усиливается (ASE) в требуемом спектральном диапазоне, который характеризуется компонентом непрерывной волны излучения (CW) и одним или несколькими компонентами питча. Проходя через первую волоконную катушку, питч немного расширяется по спектру и времени и затем фильтруется по спектру в первом фильтре. Например, подобласть большой длины волны питча отфильтровывается от дальнейшего прохождения в требуемом направлении.
Затем отфильтрованный импульсный компонент усиливается во втором усилителе до значения пиковой интенсивности, достаточной для возбуждения нелинейного эффекта фазовой самомодуляции (SPM), и одновременно проходит через вторую волоконную катушку. SPM проявляется увеличением ширины импульсного компонента по спектру и времени, которое проявляется генерированием новых частотных компонентов или мод вокруг центрального компонента. Некоторые из новых сгенерированных частотных компонентов частично накладываются на полосу пропускания частот второго фильтра, который в отличие от первого фильтра, отсекает подобласть с короткой длиной волны питча. Генерирование новых спектральных составляющих становится возможным только при конкретных пиковых интенсивностях питчей, т.е. питчей с синхронизированными модами, достаточных для возбуждения явления фазовой самомодуляции.
Циркуляция питча может происходить в первом массиве, состоящем из комбинации первого усилителя, волоконной катушки и фильтра, выполненной с возможностью, соответственно, усиливать, расширять по спектру и времени и наконец, отфильтровывать вырабатываемый импульсный компонент. Таким образом, выработанный питч в конечном тоге усиливается во втором усилителе до требуемого значения пиковой интенсивности, способствуя таким образом увеличению ширины питча и полному охвату полосы пропускания второго фильтра. В этот момент питч спектрально увеличивается до требуемого значения сигнала, при этом во втором фильтре пиковая интенсивность, потерянная во втором фильтре, несколько уменьшается, но в полной мере компенсируется в первом усилителе. Заданная доля расширенного по спектру и времени сигнала в первой волоконной катушке направляется наружу кольцевого волновода как импульс с требуемой шириной спектра, интенсивностью и энергией для последующего усиления на по меньшей мере одной ступени усиления перед сжатием по спектру.
Для пуска раскрываемого импульсного генератора необходим внешний источник для создания шумов, которые после усиления обеспечивают расширение по спектру испускаемого импульса в сравнении со спектрами непрерывного генерирования излучения. В заявляемой конструкции низкочастотный шум или непрерывное излучение не может быть усилено ввиду работы множества пространственных фильтров с узкими полосами пропускания, но отличающимися центральными частотами в сравнении с установившимся спектром создания импульсов. Конфигурация схемы пуска генератора импульсов в соответствии с настоящим изобретением зависит от типа внешнего источника шума. В частности, спектральная зависимость между множеством фильтров напрямую зависит от конфигурации внешнего источника.
В соответствии с одной схемой пуска внешний источник, такой как диодный лазер, работает как генератор накачки, испускающий свет на длине волны, которая отличается от рабочей длины волны раскрываемого генератора импульсов. В соответствии с этим вариантом осуществления заявляемый генератор импульсов содержит спектральный фильтр с накладывающимися полосами пропускания. Такая конфигурация фильтров обеспечивает возможность различения генерирования непрерывного излучения с узкой линией, которое может возникать самопроизвольно из квантового или другого типа шума, и/или импульсы с модулированной добротностью с недопустимо высокой энергией.
Однако компонент непрерывной волны излучения имеет большое значение для правильной работы раскрываемого генератора импульсов на переходной ступени синхронизации мод лазера. Каждый усилитель характеризуется существенным накоплением энергии. На выходе из усилителя питч, проходящий через эти усилители, может обладать недопустимо высокой пиковой интенсивностью, которая может привести к полному разрушению не только генератора импульсов, но и последующих ступеней усиления. Для того чтобы немного уменьшить эту накопленную энергия, необходимо уменьшить инверсию заселенности в активной среде. Это осуществляется за счет компонента непрерывного излучения, который может иметь незначительный коэффициент усиления для уменьшения общей накопленной энергии в усилителе. Уменьшение накопленной энергии приводит к снижению пиковой интенсивности импульса и энергии питча. Образование не отфильтрованной области спектра между наложенными полосами пропускания соответствующих фильтров обеспечивает направление компонента непрерывного излучения через эту область по кольцевому волноводу и приводит к уменьшению накопленной энергии.
Другой аспект варианта осуществления накачки непрерывной волны излучения относится к усилению самопроизвольного излучения в требуемой области спектра, обеспечивая прохождение питча через заданную (и равномерную) ширину спектра обоих фильтров. Такое усиление в требуемой области спектра обеспечивается специальной формой света накачки. Изначально выход генератора накачки регулируется для излучения коротких предварительных импульсов высокой мощности продолжительностью от десятков микросекунд до миллисекунды для создания шумов в заданной области спектра. Предварительный импульс необходим для заселения фазового пространства распределения шума по частоте и интервалу времени. Затем текущий сигнал на входе генератора накачки прерывается, и энергии, созданной одним или несколькими предварительными импульсами, достаточно для усиления одного или нескольких небольших пиков интенсивности в требуемой области спектра, соответствующей полосе пропускания обоих фильтров. После этого генератор накачки испускает непрерывную волну излучения, амплитуда которой меньше амплитуды одного или нескольких начальных сигналов накачки, за счет чего питч достигает требуемого значения сигнала и устанавливается режим синхронизации мод.
В соответствии с другим вариантом осуществления предоставлена схема пуска с затравкой, запускающей эталонный импульс или импульсы на рабочей длине волны генератора импульсов. Эти импульсы направляются по кольцевому волноводу с частотой повторений, которая может быть идентичной или может отличаться от питчей, генерируемых в кольцевом волноводе в ответ на световой пучок накачки, испускаемый генератором накачки, который включается через некоторое время после затравки. После выключения затравки и исчезновения эталонных импульсов, но не ранее, избыточная энергия, хранящаяся в усилителях, будет уменьшена до безопасных допустимых значений для предотвращения генерирования импульсов с модулированной добротностью. В соответствии с этим вариантом осуществления в фильтрах соответствующие полосы пропускания могут как накладываться, так и не накладываться.
В установившемся самозапускающемся режиме генерирования рассеивающих солитонов или симиляритонов раскрываемый генератор импульсов работает аналогично другим кольцевым архитектурам, таким как NOLM/NALM и NLPR, в каждой из которых есть отдельный нелинейный элемент. Это благодаря тому, что в стабильном режиме такой элемент, по сути, не влияет на испускание импульса, он необходим только для формирования импульса из шума. Но в стабильном режиме заявляемый генератор импульсов испускает требуемый чирпированный импульс самое большое один раз в каждом двустороннем проходе, что отличается от линейных резонаторов, в которых световой сигнал многократно проходит через резонатор. Реализация такого испускания предусматривает либо расположение одного выходного ответвителя сразу после волоконных катушек, либо расположение двух выходных ответвителей сразу после соответствующих волоконных катушек. В случае двух выходных ответвителей чирпированный импульс выходит из кольцевого волновода после совершения каждой половины двустороннего прохода.
Краткое описание чертежей
Описанные выше аспекты и признаки раскрываемого генератора импульсов вместе с другими признаками станут более понятными после прочтения подробного описания, выполненного со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг. 1 показана известная конфигурация генераторов импульсов на основе архитектуры NLPR;
на фиг. 2А и 2В показаны известные конфигурации соответствующих архитектур NOLM и NALM;
на фиг. 3 показан известный линейно чирпированный импульс;
на фиг.4 показана оптическая схема заявляемого генератора импульсов;
на фиг. 5А-5С показана принципиальная схема работы генератора импульсов в режиме пуска и в стабильном режиме генерирования импульсов;
на фиг. 6A-6D показаны спектры сигнала во время его прохождения через фильтры генератора импульсов согласно фиг.4 и 5С;
на фиг.7А и 7В показана принципиальная схема работы внешнего источника в разных схемах пуска заявляемого генератора импульсов;
на фиг. 8 схематически показан блок усиления, встроенный в раскрываемый генератор импульсов согласно фиг. 4;
на фиг. 9 показана схема измененного блока усиления в лазере согласно фиг. 4.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
В качестве вступления необходимо отметить, что раскрываемый генератор импульсов с пассивной синхронизацией мод характеризуется новой архитектурой, содержащей множество специальных фильтров, которые в сочетании друг с другом создают нелинейный отклик, обеспечивающий возможность стабильной синхронизации мод.
На фиг. 4 показан заявляемый генератор импульсов, содержащий кольцевой волновод или кольцевой резонатор 10, в котором выходящий пучок одного из множества волоконных усилителей 12 и 20 служит затравкой для другого волоконного усилителя. Два или более идентичных массива или группы волоконных элементов соединены вместе между первым и вторым усилителями 12 и 20 с образованием кольцевого резонатора 10. Помимо волоконного усилителя каждая группа содержит волоконную катушку 16, 22, которая обеспечивает соответствующее периодическое расширение сигнала по спектру и времени, и фильтры 18, 24 с узкой полосой пропускания, осуществляющие спектральную фильтрацию расширенного сигнала. Конфигурация фильтров хорошо известна специалисту в области техники, к которой относится настоящее изобретение, причем она обычно содержит относительно толстое зеркало с множеством диэлектрических слоев, способных пропускать только требуемый спектральный диапазон и, при необходимости, вводить либо нормальную, либо аномальную дисперсию, что будет описано ниже. Фильтры могут характеризоваться по существу одинаковой полосой пропускания. Альтернативно один из фильтров может характеризоваться полосой пропускания, которая самое большее в пять (5) раз шире, чем полоса пропускания другого фильтра. Более того, полоса пропускания каждого из фильтров должна быть в 2-10 раз уже, чем полоса пропускания выходящего импульса 55. Однако в некоторых случаях требуемая ширина импульса может быть уже, чем полоса пропускания фильтров. Последовательное расширение по спектру и спектральная фильтрации необходимы для генерирования импульсов с гигантским чирпом, характеризующихся требуемой шириной спектра, продолжительностью импульса и энергией, что представляет собой одну из целей настоящего изобретения. Кольцевой волновод 10 дополнительно содержит один или несколько изоляторов 28, обеспечивающих однонаправленное наведение света вокруг волновода, и один или несколько выходных ответвителей 30, расположенных сразу после соответствующих волоконных катушек 16, 22. Каждый из выходных ответвителей направляет чирпированный импульс 55 за пределы кольцевого волновода 10. Вышедший импульс 55 может быть дополнительно усилен на одной или нескольких ступенях усиления. Для достижения необходимой инверсии заселенности в активной среде усилителей, т.е. для запуска работы заявляемого генератора импульсов, один или два генератора 26 накачки непрерывного излучения оптически соединены с соответствующими усилителями. Все раскрытые выше компоненты соединены друг с другом волокнами с одной поперечной модой (SM). Принцип действия раскрываемого генератора импульсов, который будет описан ниже, предусматривает ненасыщенный пуск и насыщенные фазы установившегося генерирования импульсов (с синхронизацией мод).
Согласно фиг. 5А и 5В в дополнение к фиг. 4 фаза пуска предусматривает ступень инжекции затравки (фиг. 5А) и переходную ступень (фиг. 5В). На фазе пуска происходит расширение питча по спектру в требуемом спектральном диапазоне, так что его ширина спектра превышает ширину спектра генерирования непрерывного излучения. В настоящем изобретении раскрываются две разные конфигурации архитектуры пуска.
Одна из конфигураций пуска содержит два источника 26 непрерывной накачки (фиг. 4), такие как диодные лазеры с непрерывным излучением или волоконные лазеры с непрерывным излучением. Каждый генератор 26 накачки испускает световой пучок накачки, входящий в активную среду усилителя 12, 20 на длине волны λр, которая короче рабочей длины волны λо требуемого чирпированного импульса, выходящего через выходной ответвитель 30 на установившейся фазе генератора импульсов. Графическое представление изменения питча на фазе пуска, показанное на фиг. 5А-5В, является неточным и представляет собой лишь иллюстрацию общих принципов, способствующую пониманию процессов, происходящих внутри кольцевого волновода.
В частности, на фиг. 5А показано, как в активную среду одного или обоих усилителей входит световой пучок накачки, запускается непрерывный режим работы генератора импульсов, но со значительными колебаниями шума лазерного излучения в требуемой области спектра непрерывной волны излучения. Последняя характеризуется собственными спектрами с одним или несколькими низкоинтенсивными питчами 38 (показан только один), каждый из которых растянут в интервале времени 34 и характеризуется небольшой шириной спектральной линии 36, как показано на стадии 1-2. Когда шум в требуемой области спектра проходит через входной ответвитель 32 (стадия 2), питч 38 только незначительно расширяется по спектру. Следует отметить, что ввиду использования множества генераторов 26 накачки два процесса вырабатывания сигнала, т.е. изменение питча в сигнал, происходят в кольцевом волноводе практически одновременно или с очень маленькой задержкой, но в целях ясности подробно будет описан только один процесс.
На стадии 3, на которой выполняется ступень инжекции затравки, первый усилитель 12 увеличивает пиковую интенсивность питча 38. Проходя дальше через первую катушку 16, питч 38 распространяется в интервале времени и расширяется по спектру в частотном интервале, как показано на стадии 4, за счет относительно слабого нелинейного эффекта фазовой самомодуляции (SPM), вызванного повышением пиковой интенсивности. Однако последней все равно недостаточно для значительного расширения по спектру. Усиленный и расширенный таким образом питч 38 (в этой точке потери мощности на выходном ответвителе 30 недостаточны, как показано на стадии 5) далее входит в первый фильтр 18. Последний выполнен с возможностью, например, различать длинные волны требуемого диапазона частот, т.е. он пропускает подобласть с короткими длинами волн и блокирует длинные волны, как показано на стадии 6. Конечно же, фильтр 18 может быть выполнен с возможностью блокировки коротких волн и пропускания подобласти с длинными волнами.
Переходной импульс на выходе из первого фильтра 18 дополнительно затравляется во втором усилителе 20, за счет чего существенно увеличивается пиковая интенсивность питча, как показано на стадии 7. Последняя, в свою очередь, приводит к возбуждению фазовой модуляции во второй волоконной катушке 22, которая более интенсивная, чем в первой волоконной катушке 16, как показано на стадии 8. К тому же, новые сгенерированные частотные компоненты вдоль переднего фронта (длинные волны) питча 38 входят в полосу пропускания второго фильтра 24, выполненного с возможностью различать короткие волны, приведенные в качестве примера на схеме, как показано на стадии 9. На выходе из второго фильтра 24 моды характеризуются постоянным соотношением фаз, т.е. моды синхронизированы. При этом ни пиковая интенсивность, ни ширина спектра питча 38 еще не достигла требуемого порогового значения.
Согласно фиг. 5В переходная ступень начинается тогда, когда завершается предыдущая ступень инжекции ненасыщенной затравки. Питч, вышедший из фильтра 24, входит в первый усилитель 12, в котором его пиковая интенсивность снова увеличивается до уровня, достаточного для возбуждения эффекта SPM, приводя к генерированию новой частоты в первых волоконных катушках 16. Сравнивая идентичные стадии 4 на фиг. 5А и 5В соответственно, становится понятно, что ширина питча по существу увеличивается в спектральной области, и на переходной ступени он растягивается в интервале времени в сравнении со ступенью инжекции затравки. Однако ширина спектра питча 38 все равно может быть недостаточной для полного охвата полосы пропускания первого фильтра 18, который, следовательно, отсекает длинные волны проходящего переходного импульса. Наконец второй усилитель 22 увеличивает пиковую интенсивность до требуемого уровня, достаточного для увеличения ширины спектра питча и его продолжительности до требуемых значений во время прохождения через вторую волоконную катушку 22. Достигнув требуемой ширины спектра, питч полностью превращается в сигнал 50, ширина спектра которого на выходе из второй катушки полностью охватывает полосу пропускания фильтра 24. Как было указано выше, стадия пуска предусматривает один или несколько двусторонних проходов питча 38, предшествующих его полному превращению в требуемый сигнал. В принципе, в определенных условиях, половины двустороннего прохода может быть достаточно для формирования требуемого сигнала 50, который в этом случае будет полностью сформирован на ступени инжекции затравки.
Хоть в приведенном выше описании раскрывалось вырабатывание импульса, компонент непрерывного излучения играет важную роль в описанной выше архитектуре пуска. Кольцевой резонатор 10 характеризуется высоким коэффициентом добротности, что свидетельствует о накоплении в волоконных усилителях мощной энергии. Если эту энергию не ослабить, заявляемый кольцевой волновод будет создавать импульсы с модулированной добротностью с таким уровнем энергии, который сможет легко разрушить генератор импульсов. Уменьшение энергии осуществляется посредством специальной конфигурации двух фильтров 18 и 24, показанных на фиг. 4. Центральные длины волн λc1, λс2 соответствующих фильтров выбирают таким образом, чтобы полоса пропускания одного из фильтров накладывалась на полосу пропускания другого фильтра, как показано на фиг. 4. Наложение областей 40 спектра между двумя фильтрами обеспечивает возможность прохождения компонента непрерывного излучения, потребляющего избыточное количество энергии, накопленной в обоих усилителях. Однако усиление величины компонента непрерывного излучения должно быть таким, чтобы он не мешал основному процессу синхронизации мод. Образованная наложением область пропускает не более 10% от максимальной пропускной способности фильтра с наивысшей пропускной способностью, но предпочтительно не менее 0,1% фильтра с наименьшей пропускной способностью, если соответствующие амплитуды пропускной способности фильтров отличаются друг от друга. Однако фильтры могут быть выполнены с одинаковой амплитудой пропускной способности. В итоге, два фильтра 18 и 24 с соответствующими полосами пропускания, накладывающимися друг на друга, работают совместно для: 1) подавления непрерывной волны излучения и 2) превращения питча в требуемый сигнал в стабильном режиме с синхронизацией мод.
На фиг. 7А в сочетании с фиг. 4 показана еще одна функция раскрытой выше архитектуры пуска, относящаяся к усилению питча или питчей в требуемой частотной области. На самом деле неизвестно, сколько времени нужно для пуска усиления слабого питча в широкополосном низкочастотном шуме, который в конечном итоге заканчивается в требуемом диапазон длины волны фильтров. Чтобы гарантировать, что изменение питча будет происходить в требуемом диапазоне длины волны, генераторы 26 накачки оснащены входом с модуляцией током. Изначально запускающий предварительный импульс или предварительные импульсы светового пучка 42 накачки (фиг. 7А) с высокой амплитудой и небольшой продолжительностью от миллисекунды до нескольких миллисекунд входит в кольцевой волновод 10 (фиг. 4), а затем ввод в генератор 26 накачки прерывается на период, равный продолжительности начального светового пучка накачки. Такое переключение дает возможность распределить мгновенно накопленную энергию по широкому диапазону широкополосного низкочастотного шума с обязательным усилением одного или нескольких переходных импульсов в требуемой частотной области. Затем генератор 26 накачки снова включается и работает без прерываний в режиме создания непрерывного излучения, испуская непрерывный световой пучок 44 накачки, амплитуда которого остается ниже амплитуды предварительного импульса до тех пор, пока работает генератор импульсов. Амплитуду непрерывной накачки можно менять для регулировки параметров выходного сигнала.
Согласно фиг. 4 и 7В альтернативная конфигурация ступени пуска, в дополнение к генераторам 26 накачки, предусматривает затравку или затравки 46 (фиг. 4), которые включают до пуска генераторов 26 накачки и выдают один или несколько равномерных эталонных импульсов светового пучка 48 накачки (фиг. 7А). Эталонные импульсы постепенно затухают после отключения затравок сразу после того, как генераторы накачки начинают испускать непрерывный световой пучок накачки. Эта конфигурация, как и предыдущая, способствует снижению энергии, накопленной в волоконных лазерах 12 и 20, необходимому для предотвращения генерирования импульсов с модулированной добротностью. Эталонные импульсы проходят через кольцевой волновод 10 с частотой повторений включения и выключения затравки, отличающейся от частоты повторений, при которой требуемые импульсы выходят из кольцевого резонатора. Применение затравки 46 также может в некоторой степени изменить конфигурацию кольцевого волновода 10. В измененной конструкции волновод 10 могут содержаться фильтры 18 и 24, выполненные с соответствующими полосами пропускания, которые не накладываются друг на друга. Однако такое изменение не является обязательным, поэтому неизмененная конструкция кольцевого волновода 10, раскрываемая со ссылкой на фиг. 7А, также подходит для осуществления второго варианта осуществления.
Согласно фиг. 5С и 6A-6D установившаяся ступень раскрываемого генератора импульсов, как показано, запускается сразу после формирования сигнала 50 с требуемой шириной спектра в конце переходной ступени. Требуемая ширина спектра сигнала 50 в случае наложенных друг на друга полос пропускания соответствующих фильтров является такой, что часть выработанного сигнала будет проходить через образованную наложением область. Если полосы пропускания не накладываются друг на друга, требуемая ширина спектра сигнала будет накладываться на полосу пропускания последовательных фильтров.
В частности, во время прохождения сигнала 50 через фильтр 18 (фиг. 6А) последний отфильтровывает все моды с большой длинной волны, центрируя сигнал 50 на центральной длине волны λ1, как показано на фиг. 6В. После последующего усиления и расширения по спектру сигнал 50 получает новые частоты, достаточные для наложения на всю полосу пропускания фильтра 24, который в отличие от фильтра 18 блокирует дальнейшее продвижение всех коротких волн (фиг. 6С). В результате сигнал 50 центрирован на второй центральной длине волны λ2. Процесс дальнейшего усиления и расширения по спектру повторяется каждую половину двустороннего прохода сигнала в кольцевом резонаторе.
После выработки сигнала 50 он совершает только один двусторонний проход по кольцевому резонатору 10 перед тем, как выходной ответвитель 30 (фиг. 4) направит импульс 55 за пределы резонатора. Предпочтительно последний может содержать дополнительный выходной ответвитель 30, соединенный непосредственно с выходом второй волоконной катушки 22, как показано пунктирными линиями на фиг. 4. Такая конфигурация обеспечивает вывод импульса 55 после совершения каждой половины двустороннего прохода.
Раскрытый выше генератор импульсов может работать на любой требуемой рабочей длине волны, зависящей от ионов редкоземельных материалов, используемых в активной среде усилителей 12 и 20. Как приведено в качестве примера, эти редкоземельные материалы могут включать иттербий, эрбий и тулий. Однако другие редкоземельные материалы, известные как светоизлучатели, могут с таким же успехом использоваться вместо указанных выше материалов. В конструктивном отношении можно преимущественно использовать в дополнение к двум волоконным группам дополнительные волоконные группы для обеспечения равномерной пиковой мощности выведенных импульсов света сигнала.
Волоконные компоненты кольцевого волновода 10 могут иметь положительную чистую дисперсию. Последняя особенно преимущественная в диапазоне длины волны, равном один микрон, где все компоненты характеризуются нормальной дисперсией.
Однако, как показано на фиг. 4, в одномикронном диапазоне длины волны можно использовать генератор импульсов в соответствии с настоящим изобретением с одним из показанных элементов с отрицательной дисперсией, не влияющей на общую положительную чистую дисперсию. Например, положительная чистая дисперсия может быть получена за счет выполнения каждого компонента кольцевого волновода 10 с положительной (нормальной) дисперсией. Альтернативно один или несколько компонентов могут характеризоваться аномальной (отрицательной) дисперсией, но последняя не меняет общую положительную чистую дисперсию кольцевого резонатора. Например, фильтры 18 и 24, каждый по отдельности или оба сразу, могут характеризоваться аномальной дисперсией и при этом все равно успешно использоваться в одномикронном диапазоне длины волны. Чистая дисперсия волновода 10 может быть аномальной для всех или большинства компонентов волновода, характеризующихся ненормальной дисперсией. Наконец чистая дисперсия кольцевого резонатора 10 может быть нулевой.
Предпочтительно все волоконные компоненты волновода 10 выполнены в поляризационно-стабилизированном (РМ) формате. Однако некоторые из этих компонентов или все эти компоненты могут не быть РМ компонентами.
Согласно фиг. 8 и 9 усилители 12 и 20 содержат комбинацию легированного редкоземельными ионами волокна 128, противоположные концы которого разветвляются к соответствующим входным и выходным пассивным волокнам 130. У волокна 128 есть сердцевина 132, способная выдерживать только одну поперечную моду или множество поперечных мод (ММ). Однако на требуемой рабочей длине волны, например 1,06 микрон, сердцевина 132 волокна 128 с множеством поперечных мод может выдерживать только одну основную моду, для этого нужно правильно выбрать профиль легирования. Другими словами, когда свет с одной поперечной модой входит в сердцевину 132 с множеством поперечных мод активного волокна 128, он возбуждает только основную поперечную моду, которая, как известно специалисту в области техники настоящего изобретения, характеризуется профилем интенсивности, близко похожим на гауссовый по форме, аналогичный профилю волокон с одной поперечной модой. Сгенерированные таким образом импульсы 55 (фиг.4) испускаются генератором импульсов в одной поперечной моде. Альтернативно волокно 128 может характеризоваться наличием сердцевины с одной поперечной модой в схеме боковой накачки.
Волокна с множеством поперечных мод обеспечивают усилители с возможностью применения схемы боковой накачки, которая может обеспечивать ряд преимуществ по сравнению со схемой торцевой накачки, которая должна обязательно применяться совместно с активными волокнами с одной поперечной модой. Во-первых, для осуществления схемы боковой накачки не нужно использовать мультиплексор с разделением по длине волны (WDM), который может выдерживать только ограниченные мощности. Следовательно, другое преимущество схемы боковой накачки заключается в возможности генерирования импульсов, мощности которых превышают мощности активных волокон с одной поперечной модой, которые, безусловно, могут представлять альтернативу активным волокнам с множеством поперечных мод. Однако специалисту в области настоящего изобретения хорошо известна технология торцевой накачки.
На фиг. 9 показано активное волокно 128 с множеством поперечных мод, характеризующееся поперечным сечением с двумя сужениями. В результате изменения получают центральную увеличенную часть 132 сердцевины с диаметром, превышающим диаметр торцов 134 сердцевины. Увеличенная часть 132 сердцевины обеспечивает большие мощности накачки и уменьшенные длины волокон, которые сводят к минимуму вероятность взаимодействия между основной модой и модой высшего порядка. Концы 134 сердцевины похожи на концы, показанные на фиг. 7, и каждый из них характеризуется диаметром модового поля, которое совпадает с диаметром модового поля пассивных волокон с множеством поперечных мод.
Элементы, образующие кольцевой волновод 10, могут характеризоваться наличием положительной, отрицательной и нулевой дисперсией и их комбинацией. Например, как известно из находящейся на одновременном рассмотрении заявки на патент США, для создания кольцевого резонатора с положительной общей дисперсией для использования в одномикронном диапазоне длины волны. Кольцевой резонатор содержит множество волоконных компонентов с разными типами дисперсии, которые вместе обеспечивают кольцевой резонатор положительной дисперсией.
Внимание читателя обращается на все документы, поданные одновременно с настоящей заявкой и доступные для общественного ознакомления вместе с настоящей заявкой, и к содержанию таких документов, которые включены в настоящий документ посредством ссылки.