АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТВЕРДОТЕЛЬНО-ВОЛНОВОДНОГО ЛАЗЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ И ТВЕРДОТЕЛЬНО-ВОЛНОВОДНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
ACTIVE ELEMENT OF SOLID-STATE WAVEGUIDE LASER AMPLIFIER AND SOLID-STATE WAVEGUIDE LASER AMPLIFIER

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерным усилителям, совмещающим преимущества волоконных и твердотельных усилителей, предназначенных для усиления оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра.
Известен элемент усиления света US 8837534 В2, содержащий расположенную в объеме оптического материала цилиндрическую область, оболочка которой сформирована областями с пониженным показателем преломления. Однако такие цилиндрические области имеют внутренний диаметр не более 40 мкм, что ограничивает максимальные пиковые и средние мощности излучения и приводит к искажению усиливаемого сигнала.
Известен оптический усилитель WO 2008025076 A1, в котором распространение пучков накачивающего и сигнального излучений происходит в волноводном режиме внутри волноводов, созданных в объеме оптического материала. Однако сильная локализация лазерного излучения в волноводе диаметром не более 50 мкм приводит к ограничению максимальной пиковой и средней мощностей сигнального излучения вследствие тепловых и нелинейных оптических процессов. Распространение сигнального излучения в волноводном режиме приводит и к искажениям поперечного распределения интенсивности в пучке, что снижает эффективность усилителей.
Известен оптический усилитель US 8625192 B2, в котором для эффективного увеличения длины эффективного взаимодействия излучения накачки в активном веществе использованы кристаллические волокна различных диаметров (от 700 мкм и до диаметров более 2000 мкм). Указанные кристаллические волокна для усилителей получают механическим воздействием, а удержание оптического излучения происходит за счет полного внутреннего отражения от механически полированных границ усиливающей среды. Для создания волокон малого диаметра, в которых можно достичь высокой плотности мощности, необходимо использовать материалы с низкой хрупкостью. Но подавляющее большинство оптических стекол и кристаллов обладают высокой хрупкостью, и кристаллические волокна из таких материалов, созданные по предлагаемому в US 8625192 методу, должны иметь большой диаметр. Это не позволяет достичь высокой плотности мощности в оптической усиливающей среде и приводит к меньшему значению интеграла перекрытия между пучками накачивающего и сигнального излучений.
Задачей изобретения является создание оптического элемента лазерного усилителя, совмещающего преимущества волоконных и твердотельных усилителей по таким параметрам, как оптическая эффективность и максимальная допустимая мощность оптического излучения.
Для решения поставленной задачи оптический элемент лазерного усилителя с продольной накачкой видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра из объемного твердотельного оптического усиливающего материала, легированного оптически активными редкоземельными ионами, содержащий сформированную через боковую полированную плоскость, параллельную геометрической оси элемента лазерного усилителя, методом прямой фемтосекундной записи вдоль и вокруг оптической оси элемента оболочку оптического волновода из областей с пониженным относительно оптического материала показателем преломления, причем внутренний поперечный размер оптического волновода, ограниченного оболочкой, более 100 мкм и менее 5000 мкм. Оболочка оптического волновода сформирована методом прямой фемтосекундной записи. При таком способе формирования оболочки материал вне области оболочки подвергнут минимальному воздействию и обладает известными свойствами. Внутренняя область волновода обладает тем же показателем преломления, что и твердотельная среда и имеет поперечный размер более 100 мкм и до 5000 мкм. При таком условии сигнальное усиливаемое излучение может распространяться в оптическом волноводе оптического элемента без искажений, не отражаясь от границ оптического волновода, не ухудшая тем самым качества излучения. Излучение накачки в таком оптическом волноводе удерживается от расходимости оболочкой волновода, тем самым повышая эффективную длину взаимодействия излучения накачки и сигнального усиливаемого излучения и удельное усиление. В отличие от оптических волокон теплоотвод от оптического волновода внутри объемного твердого материала более эффективен, что позволяет при высокой эффективности усиления сохранить качество сигнального излучения и достичь больших средних мощностей излучения в усиливающем элементе. Таким образом, предлагаемый оптический элемент лазерного усилителя позволяет повысить коэффициент усиления и получить качественное сигнальное излучение большой мощности.
Длина оптического волновода составляет от 50% до 100% длины оптического элемента. В зависимости от длины оптического элемента и положения перетяжки излучения накачки максимальное усиление достижимо и при длине волновода, составляющей 50% от длины твердотельного элемента.
Внутренний поперечный размер оптического волновода, ограниченного оболочкой, более 200 мкм и менее 2000 мкм. Такие размеры волновода позволяют повысить эффективность лазерного усиления при сохранении качества сигнального усиливаемого излучения.
Оптический волновод имеет цилиндрическую форму, или оптический волновод имеет D-образную форму в поперечном сечении, или оптический волновод имеет форму параллелепипеда. Варианты исполнения не ограничены перечисленными выше и зависят от решаемой задачи, от моды сигнального излучения.
Материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей кристаллы ванадатов, кристаллы щелочноземельных фторидов, кристаллы двойного фторида лития иттрия, алюмо-иттриевый гранат, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий.
Материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей фосфатные, боросиликатные и алюмосиликатные стекла, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий.
Оболочка оптического волновода содержит микроструктуры размером от 0.1 до 20 мкм. Оболочка оптического волновода содержит микроструктуры размером от 1 до 10 мкм. Оболочка оптического волновода содержит микроструктуры размером от 2 до 7 мкм. Указанный оптический волновод создается посредством поточечного формирования оболочки волновода с пониженным показателем преломления по отношению к неизменному материалу. Размер микроструктуры определяется материалом и способом записи микроструктур.
Оболочка оптического волновода содержит области с показателем преломления, измененным относительно показателя преломления объемного твердотельного оптического усиливающего материала на величину от 0.0001 до 0.01. Оболочка оптического волновода содержит области с показателем преломления, измененным относительно показателя преломления объемного твердотельного оптического усиливающего материала на величину от 0.001 до 0.005. Показатель преломления может перманентно изменяться в малых (в поперечном сечении), но протяженных вдоль усиливающего материала областях, образующих микроструктуры. Расстояние в поперечном сечении между двумя соседними протяженными микроструктурами находится в диапазоне от 10% до 100% от наименьшего размера микроструктуры. Такого изменения показателя преломления твердотельного материала достаточно для полного отражения излучения накачки от оболочки оптического волновода.
Лазерный усилитель с продольной накачкой для усиления излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра, содержащий оптический элемент лазерного усилителя из твердотельного оптического материала с внутренним оптическим волноводом, оболочка которого сформирована методом прямой фемтосекундной записи, внутренний поперечный размер оптического волновода не менее 100 мкм и не более 5000 мкм, лазерный источник накачки, способный генерировать оптическое излучение накачки, оптическую систему ввода лазерного излучения накачки в оптический элемент лазерного усилителя, обеспечивающую возможность распространения лазерного излучения накачки внутри оптического волновода с отражением от оболочки оптического волновода, оптическую систему ввода усиливаемого сигнального излучения в оптический элемент лазерного усилителя, обеспечивающую возможность распространения усиливаемого сигнального излучения внутри оптического волновода без отражения от оболочки оптического волновода. Распространение сигнального излучения внутри оптического волновода без отражения от оболочки оптического волновода и одновременное распространение излучения накачки внутри оптического волновода с отражением от оболочки оптического волновода позволяет существенно повысить эффективность усиления сигнала за счет увеличения интеграла перекрытия волновых функций сигнального излучения и излучения накачки. Кроме того, предлагаемый усилитель может быть создан на основе множества различных лазерных материалов, обладающих требуемыми оптическими характеристиками, в части усиления сигнала и без оглядки на механические свойства материала. Поскольку все излучение распространяется по оптическому волноводу, сформированному внутри лазерного материала, теплоотвод осуществляется равномерно, что позволяет получить качественный усиленный сигнал.
В зависимости от решаемой задачи возможны различные конфигурации внутреннего оптического волновода: оптический волновод имеет цилиндрическую форму или оптический волновод имеет D-образную форму в поперечном сечении или оптический волновод имеет форму параллелепипеда.
В зависимости от решаемой задачи материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей кристаллы ванадатов, кристаллы щелочноземельных фторидов, кристаллы двойного фторида лития иттрия, алюмо-иттриевый гранат, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий или материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей фосфатные, боросиликатные и алюмосиликатные стекла, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий.
Оптическая система ввода усиливаемого сигнального излучения способна фокусировать усиливаемое сигнальное излучение внутри оптического волновода таким образом, что перетяжка пучка сигнального усиливаемого излучения находится в центре оптического волновода. При такой геометрии можно минимизировать размер оптической волноводной структуры при сохранении эффективного усиления сигнала.
Оптическая система способна фокусировать излучение накачки внутрь оптического волновода таким образом, что перетяжка пучка излучения накачки излучения находится вблизи входа накачивающего излучения в оптический волновод. Так как излучение накачки распространяется по оптическому волноводу с отражением от стенок волновода, фокусировка излучения накачки вблизи ввода излучения в оптический волновод позволяет «заполнить» излучением накачки весь оптический волновод. Этот вариант является предпочтительным при большой расходимости излучения накачки.
Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода таким образом, что перетяжка пучка накачивающего излучения находится в центре оптического волновода. Такой вариант является предпочтительным при небольшой расходимости излучения накачки. При таком варианте можно получить более качественное усиленное излучение.
Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода со стороны ввода усиливаемого сигнального излучения в усилитель. Одним из вариантов является ввод излучения накачки и сигнального излучения с одной стороны.
Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода со стороны вывода усиливаемого сигнального излучения из усилителя. Другим вариантом является ввод излучения накачки и сигнального излучения с противоположных сторон оптического элемента. Такой вариант является предпочтительным для обеспечения равномерного усиления вдоль длины усиливающего элемента.
Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода со стороны ввода усиливаемого сигнального излучения в усилитель и со стороны вывода усиливаемого сигнального излучения из усилителя. Для повышения энергии лазерного излучения ввод излучения накачки может быть осуществлен с обеих сторон оптического элемента. Такой вариант является предпочтительным для обеспечения максимального усиления в усиливающем элементе.
Усиливаемое сигнальное излучение проходит внутри оптического элемента лазерного усилителя не более двух раз. Для получения качественного усиленного сигнала предложена двухпроходная или однопроходная схема лазерного усилителя.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание оптического элемента твердотельно-волноводного лазерного усилителя, предназначенного для усиления оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра, и лазерного усилителя с высокой оптической эффективностью усиления сигнального излучения при сохранении качества излучения.
На фиг. 1 представлена стандартная схема твердотельного объемного усилителя с продольной накачкой.
На фиг. 2 представлена схема твердотельно-волноводного усилителя с продольной накачкой, совмещающая в себе свободное распространение пучка усиливаемого сигнального излучения 2 и квазиволноводное распространение пучка излучения накачки.
На фиг. 3 представлена схема усиления с продольной накачкой с перетяжкой пучка усиливаемого сигнального излучения в центре оптического элемента усилителя и перетяжкой пучка излучения накачки на вводе излучения в оптический элемент усилителя.
На фиг. 4 представлена схема создания оптического волновода внутри усиливающей среды.
На фиг. 5 представлена схема оптического волновода с неизмененной сердцевиной и оболочкой с уменьшенным показателем преломления относительно показателя преломления материала.
На фиг. 6 представлена микрофотография поперечного сечения оптического волновода диаметром 200 мкм внутри усиливающего элемента из фосфатного стекла, легированного ионами неодима.
На фиг. 7 представлена общая схема диагностики и работы твердотельно-волноводного лазерного усилителя.
На фиг. 8 представлена зависимость радиуса пучка от расстояния от границы усиливающей среды в случае свободного распространения луча в лазерном усилителе (квадратные точки) и в случае лазерного усилителя по предлагаемому техническому решению (круглые точки).
На фиг. 9 представлены зависимости мощности сигнального излучения от поглощенной мощности накачивающего излучения и коэффициента усиления в случае свободного распространения пучка накачивающего излучения в лазерном усилителе (круглые точки) и в случае лазерного усилителя по предлагаемому техническому решению (квадратные точки).
На фиг. 10 представлены экспериментально измеренные распределения интенсивности излучения в пучках накачивающего и сигнального излучения.
На фиг. 11 представлена общая схема диагностики и работы лазерного усилителя с двунаправленной продольной накачкой.
На фиг. 12 представлена общая схема диагностики и работы лазерного усилителя со встречной продольной накачкой.
На фиг. 13 представлена общая схема диагностики и работы лазерного усилителя с со-направленной продольной накачкой.
На фиг. 1 представлена стандартная схема твердотельного объемного усилителя с продольной накачкой. 1 - пучок излучения накачки, 2 - пучок усиливаемого сигнального излучения, 3 - активный оптический элемент лазерного усилителя (усиливающая среда), 4 - длина эффективного взаимодействия между излучением накачки и сигнальным излучением, 5 - входные или выходные (для излучения) полированные плоские торцы активной среды. На фиг. 2 представлена схема твердотельно-волноводного усилителя с продольной накачкой, совмещающая свободное распространение пучка усиливаемого сигнального излучения 2 и квазиволноводное распространение пучка излучения накачки 1, включающее свободное распространение вне усиливающей среды и распространение в усиливающей среде 3 внутри оптического волновода 6. Уменьшение дифракционной расходимости излучения накачки 1 в оптическом волноводе 6 элемента 3 позволяет увеличить длину эффективного взаимодействия 4 между излучением накачки 1 и сигнальным излучением 2 и повысить усиление сигнального излучения 2 на единицу длины усиливающей среды 3. Сигнальное усиливаемое лазерное излучение 2 проходит внутри записанного волновода 6, не задевая оболочки волновода 6 и не ухудшая тем самым качество своей моды (своего поперечного распределения интенсивности в пучке).
Перетяжка пучка сигнального излучения 7 (см. фиг. 3) располагается внутри волновода 6 внутри усиливающей среды 3 таким образом, чтобы на входном и выходном торцах 5 активной среды 3 диаметр пучка сигнального излучения 2 был меньше диаметра волновода 6. Перетяжка 8 пучка накачивающего излучения 1 располагается внутри волновода 6 внутри усиливающей среды 3 таким образом, чтобы максимизировать количество удерживаемого волноводом 6 излучения накачки 1. Одним из вариантов расположения перетяжки 8 является фокусировка пучка и излучения накачки 1 на входной торец 5 усиливающей среды.
Указанный оптический волновод 6 может быть создан внутри активного элемента лазерного усилителя 3 через боковую полированную плоскость 9, параллельную геометрической оси элемента лазерного усилителя, посредством ультракоротких лазерных импульсов 11 (см. фиг. 4), сфокусированных в глубине усиливающей среды оптической системой фокусировки 10. Оптический волновод 6 в усиливающей среде 3 может иметь форму цилиндра, усеченного цилиндра с D-образным поперечным сечением или иметь более чем одну плоскую границу, параллельную геометрической оси элемента лазерного усилителя: например, может иметь форму параллелепипеда.
-3
На фиг. 5 представлена схема оптического волновода с неизмененной сердцевиной 12 и оболочкой 13 с уменьшенным показателем преломления относительно значения, присущего неизмененной области обрабатываемого материала 14. Область материала 12 считается внутренней для волновода. На фиг. 6 представлена микрофотография поперечного сечения оптического волновода диаметром 200 мкм внутри усиливающего элемента из фосфатного стекла, легированного ионами неодима, с концентрацией ионов неодима 7.40 см, LFS4-7.4, компании ЛЗОС. В любом поперечном сечении оптического волновода тепловые и спектральные характеристики сердцевины волновода 12, ограниченной оболочкой волновода 13, не изменяются в процессе создания волновода и соответствуют тепловым и спектральным характеристикам неизмененной области материала 14. Оболочка волновода 13 состоит из набора протяженных вдоль оси волновода треков с уменьшенным показателем преломления и обеспечивает отражение оптического излучения, распространяющегося в жиле волновода, удерживая его от геометрической расходимости.
На фиг. 7 представлена общая схема диагностики и работы гибридного лазерного усилителя. Установка включает источник излучения накачки 15, источник усиливаемого сигнального излучения 16, коллимирующий оптический элемент излучения накачки 17, коллимирующий оптический элемент сигнального излучения 18, фокусирующая оптика излучения накачки 19, фокусирующая оптика сигнального излучения 20, дихроичное зеркало 21, зеркало 22, оборудование 23 для диагностики геометрических, спектральных, временных и энергетических характеристик излучения, выходящего из оптического элемента лазерного усилителя 3 с сформированным внутренним оптическим волноводом 6. Излучение от источника излучения накачки 15 и источника сигнального излучения 16 совмещается оптической системой, содержащей коллимирующие оптические элементы 17, 18, фокусирующие оптические элементы 19, 20, зеркало 22 и дихроичное зеркало 21, для продольной (коллинеарной) схемы усиления, и фокусируется указанной оптической системой внутрь оптического волновода 6 усиливающей среды 3. При диагностике твердотельно-волноводного лазерного усилителя на его выходе ставится диагностическое оборудование 23, преобразующее и измеряющее геометрические, спектральные, временные и энергетические характеристики излучения. При работе предлагаемого лазерного усилителя диагностическое оборудование убирается полностью или частично, и выходное усиленное излучение подается на вход надсистемы, в которую встраивается указанный лазерный усилитель. В частности, указанная надсистема может включать в себя собственную оптическую систему, спектральные и нейтральные фильтры, а также диагностическое оборудование.
Числовая апертура фокусирующего оптического элемента 19 излучения накачки выбирается таким образом, чтобы не превышать более чем в 3 раза числовую апертуру оптического волновода 6, определяющую максимальный угол ввода оптической энергии в оптический волновод. Экспериментальные значения для числовой апертуры волновода 6 находятся в диапазоне от 0.01 до 0.3.
Доказательством наличия волноводного режима распространения накачивающего излучения 1 может служить представленная на фиг. 8 зависимость радиуса пучка от расстояния от границы усиливающей среды в случае свободного распространения луча (квадратные точки) в твердотельном лазерном усилителе и в случае предлагаемого в изобретении гибридного лазерного усилителя (круглые черные точки).
Использование указанного волновода 6 в предлагаемом усилителе приводит к увеличению оптической эффективности усилителя, как показано на зависимостях мощности сигнального излучения от поглощенной мощности накачивающего излучения и на зависимостях коэффициента усиления от мощности излучения накачки в случае свободного распространения пучка излучения накачки излучения в стандартном лазерном усилителе и в случае предлагаемого лазерного усилителя, представленных на фиг. 9. В проведенных экспериментах усиление в предлагаемой твердотельно-волноводной схеме было выше более чем в 2.5 раза по отношению к стандартной твердотельной объемной схеме усиления. В приведенных экспериментах оба усилителя (твердотельной объемный со свободным распространением и предлагаемый твердотельно-волноводный) были изготовлены из одного и того же материала, и исследовались при использовании одного и того же диагностического оборудования и источников накачивающего и сигнального излучений.
На фиг. 10 представлены экспериментальные распределения интенсивности в пучках излучения накачки (А - при малой мощности накачки и Б - при мощности накачки выше пороговой) и сигнального (В - при свободном распространении в усиливающей среде без волновода 6 и Г - при распространении внутри волновода 6 в усиливающей среде) излучения, измеренные на расстоянии 3 см от выходного торца усиливающей среды. Распределение интенсивности излучения накачки хорошо повторяет геометрию волновода (6), по которому оно распространяется в волноводном многомодовом режиме. В случае большой мощности накачивающего излучения в его поперечном распределении наблюдается характерная спекл-картина. На фиг. 10Г видно, что созданный волновод слабо взаимодействует с пучком усиливаемого сигнального излучения, внося лишь малые изменения в поперечном распределении интенсивности, и лишь в периферической области пучка. Оптические потери для сигнального излучения в отсутствии накачки находились на уровне ошибки измерения (на уровне шума) и составили менее 0.8% для усиливающей среды длиной 3 см.
Предлагаемый в изобретении гибридный лазерный усилитель может быть также выполнен с двунаправленной продольной накачкой, представленной на фиг. 11, встречной накачкой, представленной на фиг. 12, где 24 - фильтр для намачивающего излучения, прозрачный для сигнального излучения, с упрощенной оптической системой, представленной, например, на фиг. 13 или с оптической схемой, реализующей двукратный проход усиливаемого сигнального излучения через волновод 6 в усиливающей среде.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить эффективную длину взаимодействия лазерного излучения с усиливающим кристаллом, увеличив тем самым оптическую эффективность усилителя более чем в 2 раза по сравнению с объемными твердотельными усилителями со свободным продольным распространением накачивающего излучения.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить максимально допустимую мощность лазерного излучения по сравнению с волоконными усилителями (сделанными из оптически активного стекла) за счет использования в качестве материала, из которого формируется волновод, не только стекла, но и оптических кристаллов с существенно повышенной теплопроводностью, резко снижающей влияние тепловых эффектов, так как в сердцевине оптического волновода тепловые свойства усиливающей среды остаются неизменными после создания оболочки волновода.
Предлагаемое изобретение позволяет совместить в новой гибридной схеме преимущества волоконных и твердотельных усилителей по таким параметрам, как оптическая эффективность и максимальная допустимая мощность оптического излучения.