Волоконный импульсный лазер с нелинейным петлевым зеркалом
FIBER PULSE LASER WITH NON-LINEAR MIRROR

Изобретение относится к лазерам - приборам для генерации с использованием стимулирующего излучения когерентных электромагнитных волн.
Известен волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения за счет нелинейного петлевого зеркала (D.J. Richardson; R.I. Laming; D.N. Payne; V. Matsas; M.W. Phillips. Selfstarting, passively modelocked erbium fibre ring laser based on the amplifying Sagnac switch. Electronics Letters, Volume 27, Issue 6, p. 542-544 (1991) [1], I.N. Duling. Subpicosecond all-fibre erbium laser. Electronics Letters, Volume 27, Issue 6, p. 544-545 (1991) [2]). Режим пассивной синхронизации мод достигается настройкой состояния поляризации внутрирезонаторного излучения лазера с помощью волоконных контроллеров поляризации, используемых в резонаторе волоконного лазера в качестве двулучепреломляющих элементов фазовой задержки.
Недостатками данного технического решения является то, что в конструкции лазера в качестве двулучепреломляющих элементов фазовой задержки используются контроллеры поляризации, основанные на механической деформации волокна. Вносимые контроллерами поляризации фазовые задержки с течением времени могут изменяться вследствие пластических деформаций оптического волокна, что приводит к выходу лазера из заданного режима генерации и необходимости его подстройки, технического обслуживания высококвалифицированными специалистами, контроля параметров лазерного излучения с помощью специального оборудования, что сопряжено со значительными затратами времени и материальных ресурсов.
Также из существующего уровня техники известен волоконный лазер синхронизации мод излучения за счет нелинейного петлевого зеркала и с резонатором, состоящим полностью из элементов сохраняющих поляризацию (Nicholson J.W., Andrejco M. A polarization maintaining, dispersion managed, femtosecond figure-eight fiber laser. Optics Express, T. 14, №18, p. 8160-8167 (2006) [3]), что позволяет исключить из конструкции лазера контроллеры поляризации.
Для запуска режима синхронизации мод в конструкцию лазера внесен дополнительный элемент - высокочастотный оптический модулятор интенсивности с модулем управления. Режим пассивной синхронизации мод достигается настройкой частоты модулятора на частоту, равную частоте обхода резонатора, которая задается длинной резонатора.
Недостатками данного лазера являются необходимость использования в конструкции лазера дополнительных элементов: оптического модулятора интенсивности с модулем управления, что усложняет конструкцию лазера, увеличивает его стоимость и снижает ресурс работы. Помимо этого, при использовании в конструкции лазера оптических модуляторов излучения для старта режима синхронизации мод требуется точная настройка частоты модулятора с частотой обхода резонатора. Более того, высокочастотные оптические модуляторы интенсивности в волоконном исполнении обладают низким порогом разрушения по средней мощности излучения (средняя входная мощность излучения не должна превышать нескольких десятков милливатт (мВт), что ограничивает выходную среднюю мощность таких лазеров на уровне единиц мВт (для известного из уровня техники решения [3] средняя выходная мощность порядка 50 мкВт).
Наиболее близким к заявляемому устройству является волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод за счет нелинейного петлевого зеркала и с резонатором, состоящим полностью из элементов сохраняющих поляризацию, описанный в работе: Aguergaray C. et al. Mode-locked femtosecond all-normal all-PM Yb-doped fiber laser using a nonlinear amplifying loop mirror. Optics Express, T. 20, №10, c. 10545-10551 (2012) [4].
В известном из указанной работы прототипе режим синхронизации мод осуществляется за счет работы нелинейного петлевого зеркала при достижении определенной мощности излучения в нем. Работа прототипа основана на зависимости мощности излучения, отраженного нелинейным петлевым зеркалом в разные порты волоконного четырехпортового ответвителя от разности нелинейного набега фаз волн, прошедших нелинейное волоконное петлевое зеркало во встречных направлениях (Okhotnikov О.G., Araujo F.М. Cavity dumping of fiber lasers by phase-modulated optical loop mirrors. Optics Letters, T. 21, №1, c. 57-58 (1996) [5]).
Недостатком данного технического решения является невозможность получения средней мощности генерации лазера выше нескольких сотен мВт. Мгновенный коэффициент пропускания Т нелинейного петлевого зеркала является периодической функцией разности нелинейного набега фаз Δφ: T=1-2r(1-r)[1+cos(Δφ)], где r=0.5 - коэффициент деления сплавного волоконного ответвителя, Δφ - разность нелинейного набега фаз встречных волн, приходящих на входы сплавного ответвителя [5]. При увеличении мощности излучения в нелинейном петлевом зеркале без использования специальных мер автоматически увеличивается разность нелинейного набега фаз Δφ. В случае, если разность нелинейного набега фаз становится больше π, периодическая зависимость коэффициента пропускания Т(Δφ) нелинейного петлевого зеркала приводит к неустойчивой работе лазера, срыву режима генерации и/или формированию в его излучении стохастических суб-импульсов (Y.S. Fedotov, A.V. Ivanenko, S.M. Kobtsev, S.V. Smirnov. High average power mode-locked figure-eight Yb fibre master oscillator. Optics Express, Vol. 22, Issue 25, pp. 31379-31386 (2014) [6]), что делает излучение такого лазера неприемлемым для ряда практических применений.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод, обеспечивающего стабильный режим генерации импульсного излучения со средней мощностью более 0.5 Вт.
Поставленная задача решается за счет того, что в волоконный лазер, содержащий источник накачки и резонатор, выполненный полностью из элементов, сохраняющих поляризацию, и состоящий из двух волоконных петель - пассивной и активной, соединяющихся посредством сплавного волоконного четырехпортового ответвителя; пассивная петля резонатора содержит выходной ответвитель, выводящий часть излучения из резонатора через третий порт и соединенный первым портом с первым портом сплавного волоконного четырехпортового ответвителя, а вторым портом соединенный с входом волоконного изолятора, выход которого соединен со вторым портом сплавного волоконного четырехпортового ответвителя; активная петля образует нелинейное петлевое зеркало и содержит отрезок активного волокна, один конец которого соединен с третьим портом сплавного волоконного четырехпортового ответвителя, а другой конец соединен с выходным портом основного волоконного объединителя длин волн, вход накачки которого соединен с источником накачки; согласно изобретению для достижения высоких средних мощностей излучения в режиме синхронизации мод в активную петлю резонатора введены дополнительный отрезок активного волокна, дополнительный волоконный объединитель длин волн и дополнительный источник накачки, при этом один конец дополнительного отрезка активного волокна соединен с четвертым портом сплавного волоконного четырехпортового ответвителя, а другой конец дополнительного отрезка активного волокна соединен с выходным портом дополнительного волоконного объединителя длин волн, вход накачки которого соединен с дополнительным источником накачки, а сигнальный порт соединен с сигнальным портом основного волоконного объединителя длин волн.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность реализации в волоконном лазере стабильной пассивной синхронизацией мод излучения, обеспечивающей режим генерации одиночных импульсов с высокой средней мощностью более 0.5 Вт, высокую эффективность преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, надежность конструкции и отсутствие необходимости технического обслуживания в процессе эксплуатации и после транспортировки.
Сущность изобретения поясняется схемой предлагаемого устройства, представленной на фиг. 1.
Устройство состоит из следующих элементов:
1 - источник накачки,
2 - резонатор лазера,
3 - пассивная петля резонатора 2 лазера,
4 - активная петля резонатора 2 лазера,
5 - сплавной волоконный четырехпортовый ответвитель,
5.1 - первый порт сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5
5.2 - второй порт сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5,
5.3 - третий порт сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5,
5.4 - четвертый порт сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5,
6 - волоконный изолятор,
7 - волоконный выходной ответвитель,
7.1 - первый порт волоконного выходного ответвителя 7,
7.2 - второй порт волоконного выходного ответвителя 7,
7.3 - третий порт волоконного выходного ответвителя 7.
8 - отрезок активного волокна,
9 - объединитель длин волн,
10 - дополнительный отрезок активного волокна,
11 - дополнительный источник накачки,
12 - дополнительный объединитель длин волн,
13 - выход волоконного лазера.
Устройство работает следующим образом.
0
1
Излучение от источников накачки 1 и 11 с длиной волны λ вводится в резонатор 2 импульсного лазера через волоконные объединители 9 и 12 и поступает в отрезки активного волокна 8 и 10, где оно поглощается, вызывая переходы атомов в возбужденное квантовое состояние, в результате чего происходят генерация и усиление излучения на длине волны генерации λ.
1
1
1
Из активной петли 4, образующей нелинейное петлевое зеркало, излучение с длиной волны λ через сплавной волоконный четырехпортовый ответвитель 5 попадает в пассивную петлю 3. При входе в пассивную петлю 3 входное излучение на длине волны λ за счет сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5 разделяется на две части, проходящие через первый порт 5.1 и второй порт 5.2 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5 и распространяющиеся в пассивной петле 3 в противоположных направлениях. Излучение на длине волны генерации λ, прошедшее в пассивную петлю 3 через второй порт 5.2 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5, поглощается волоконным изолятором 6.
1
1
Другая часть излучения на длине волны генерации λ, прошедшая в пассивную петлю 3 через первый порт 5.1 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5, поступает в волоконный ответвитель 7, где снова делится и частично выводится из резонатора 2 через выход 13. Оставшаяся в резонаторе часть излучения поступает на вход волоконного изолятора 6 и после прохождения его поступает через второй порт 5.2 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5 в активную петлю 4. При входе в активную петлю 4 излучение на длине волны генерации λ разделяется сплавным волоконным четырехпортовым ответвителем 5 на две части, распространяющиеся в активной петле 4 во встречных направлениях. Эти части излучения при прохождении активной петли 4 получают разные нелинейные набеги фазы, зависящие от коэффициентов усиления в отрезках активного волокна 8 и 10 и длин отрезков активного волокна 8 и 10.
1
После прохождения активной петли указанные части излучения на длине волны генерации λ интерферируют друг с другом и вновь входят в пассивную петлю через сплавной волоконный четырехпортовый ответвитель 5. Коэффициент прохождения в первый порт 5.1 и второй порт 5.2 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5 зависит от разности нелинейного набега фаз Δφ излучения при распространении в активной петле 4 и определяется формулой
Т=1-2r(1-r)[1+cos(Δφ)],
где Т - доля энергии излучения, прошедшая из активной петли 4 в пассивную петлю 3 через первый порт 5.1 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5 (соответственно, 1-Т - доля энергии, прошедшая из активной петли 4 в пассивную петлю 3 через второй порт 5.2 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5), r - коэффициент деления сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5, Δφ - разность нелинейного набега фаз встречных волн при распространении через активную петлю 4 [5].
Нелинейный набег фазы излучения в активной петле 4 равен интегралу ∫γPdz, где γ - нелинейный коэффициент волокна, P - мощность излучения, z - координата вдоль волокна. Разность нелинейного набега фаз Δφ для встречных волн определяется асимметрией распределения мощности P(z) в активной петле 4 и при этом пропорционально мощности излучения Р. В пределе очень малых мощностей излучения разность нелинейного набега фаз Δφ для встречных волн близка к нулю, что приводит к малому коэффициенту пропускания Т в первый порт 5.1 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5, т.е. практически все излучение проходит из активной петли 4 в пассивную петлю 3 через второй порт 5.2 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5 и поглощается в волоконном изоляторе 6. При увеличении мощности излучения в активной петле 4, разность нелинейного набега фаз Δφ для встречных волн будет возрастать, что приведет к увеличению доли энергии Т, прошедшей из активной петли 4 в пассивную петлю 3 через первый порт 5.1 сплавного волоконного четырехпортового ответвителя 5, которая не поглощается в волоконном изоляторе 6. Следовательно, с ростом мощности будут уменьшаться оптические потери излучения на волоконном изоляторе 6, так что рассмотренная волоконно-оптическая система будет работать как насыщающийся поглотитель, что приведет к формированию в резонаторе лазера мощных импульсов.
Для стабильной работы лазера необходимо, чтобы разность нелинейного набега фаз Δφ для встречных волн в активной петле 4 была меньше π, в противном случае зависимость коэффициента пропускания Т(Δφ) становится немонотонной, что приводит к срыву режима генерации и/или формированию цугов со стохастическим наполнением субимпульсами (S. Kobtsev, S. Kukarin, S. Smimov, S. Turitsyn, A. Latkin. Generation of double-scale femto/pico-second optical lumps in mode-locked fiber lasers. Optics Express, v. 17, N23, pp. 20707-20713 (2009) [7]).
Управляя мощностью накачки модулей накачки 1 и 11, можно изменять коэффициенты усиления в отрезках активного волокна 8 и 10, создавая управляемую асимметрию по z распределения мощности P(z) в активной петле 4, обеспечивая условие Δφ<π при любых уровнях мощности излучения, распространяющегося в нелинейном петлевом зеркале 4. В частности, при запуске режима генерации в лазере, когда мощности излучения, распространяющегося в нелинейном петлевом зеркале 4, малы, следует использовать сильно отличающиеся уровни мощности источников накачки 1 и 11, что обеспечит большую асимметрию по z распределения мощности P(z) в нелинейном петлевом зеркале 4 и запуск режима генерации при малых мощностях. Далее следует повышать и выравнивать уровни мощности источников накачки 1 и 11, что обеспечит повышение мощности излучения с одновременным уменьшением асимметрии по z распределения мощности P(z) в нелинейном петлевом зеркале 4, сохранение разности нелинейного набега фаз Δφ для встречных волн в активной петле 4 меньше π и устойчивый режим генерации при высоком уровне мощности.
Источники информации
1. Electronics Letters. - 1991. - Vol. 27. - No 6. - P. 542-544.
2. Electronics Letters. - 1991. - Vol. 27. - No 6. - P. 544-545.
3. Optics Express. - 2006. - Vol. 14. - No 18. - P. 8160-8167.
4. Optics Express. - 2012. - Vol. 20. - No 10. - P. 10545-10551.
5. Optics Letters. - 1996. - Vol. 21. - No 1. - P. 57-58.
6. Optics Express. - 2014. - Vol. 22. - No 25. - P. 31379-31386.
7. Optics Express. - 2009. - Vol. 17. - No 23. - P. 20707-20713.