СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ИНВЕРСИИ НАСЕЛЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ
METHOD FOR DIFFERENTIAL CONTROL OF POPULATION INVERSION OF LASER MEDIUM AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Область техники
Изобретение относится к способам защиты оптических усилителей и импульсных лазеров от оптического пробоя из-за избыточности в населенности инверсных уровней. А именно к способам контроля допустимого уровня инверсии активных оптических сред, используемых в приборах телекоммуникации, хирургии, металлообработки.
Предшествующий уровень техники
Важным фактором устойчивой и стабильной работы квантовых волоконных усилителей и мощных импульсных лазеров является надежный контроль степени инверсии лазерной среды или коэффициента усиления среды.
Как правило, в ряде изобретений, об усилении лазерной среды работающего мощного импульсного лазера или оптического усилителя судят по мощности усиленной спонтанной эмиссии (ASE), измеряемой фотоприемником в промежутках между импульсами или, в так называемом, квазистационарном режиме, характерном для оптических усилителей связи. В патенте US 2010/7817921 В2 для определения ASE используют фотоприемники, которые измеряют интегральную оптическую мощность и сравнивают ее значение с табличным значением. Понятно, что такой способ подвержен ряду систематических ошибок, характерных для пропорциональных интегральных систем. В частности, ошибки могут быть вызваны различными неконтролируемыми потерями в ответвителе от мощного световода (например, при деформации контакта вследствие разогрева или старением места сварки при больших мощностях и др.), что приводит в лучшем случае к масштабным искажениям в управлении и нестабильной работе системы, а худшем - к выходу ее из строя.
Подобные проблемы возникают в способе защиты оптических усилителей в патенте US 2007/7177174 В2, в котором на фотоприемник попадает лишь часть ASE, но опять же пропорционального типа.
В патенте US 2005/0225846 А1 также предлагается предотвратить нестабильность работы мощного импульсного волоконного усилителя, используя лишь пропорциональный сигнал мощности на входе фотоприемника для измерения ASE. И в этом случае необходимо всякий раз калибровать коэффициент ответвления мощности ASE - это проблематично и всякий раз усложняет работу системы.
Описание изобретения
Для стабильной работы мощных импульсных лазерных систем необходимо осуществлять более достоверный контроль инверсии населенности лазерной среды в процессе накачки, а следовательно, связанной с ней мощности ASE в условиях, когда ответвляемая часть мощности ASE от основного канала достоверно неизвестна, например, из-за сильного разогрева места контакта с основным мощным волноводом под действием самого излучения.
Поэтому целью настоящего изобретения является разработка более надежного способа и устройств управления инверсией населенности активной среды импульсного лазера или оптического усилителя, основанных на дифференциальном контроле ответвляемой произвольной части ASE, без необходимости в калибровке коэффициента ответвления. Причем, измерения мощности ASE проводят в промежутках времени между импульсами для случая импульсного лазера или оптического усилителя.
Способ основан на измерении кинетики нарастания во времени мощности ASE (применим для импульсного лазера). Команда на принятие решения, отключения накачки или запуск импульса, поступает после дифференциального анализа кинетики нарастания уровня инверсии населенности среды (по измерению величины ASE и вычислению ее производной во времени). Реализуется кинетический способ в устройстве для импульсного лазера.
Суть изобретения в следующем.
На Фиг.1 приведена схема устройства для дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды импульсного лазера по кинетике нарастания ASE в процессе накачки, в которой используют следующие элементы:
- оптоэлектронный преобразователь 40, вход которого подключен к оптическому ответвителю мощности 50 ASE лазерной среды 10,
- контроллер 80 с входным а.ц.п. 83 для приема в промежутках между импульсами и дифференцирования во времени выходного сигнала 70 оптоэлектронного преобразователя 40, вычисления отношения двух максимальных амплитуд, сравнения величины отношения с табличным значением и управления исполнительными устройствами посредством ц.а.п. 81, 82,
- первое исполнительное устройство - устройство накачки 30, изменяющее уровень накачки, вплоть до выключения для защиты от оптического пробоя,
- второе исполнительное устройство - мастер-осциллятор 30, формирующий входной стартующий импульс излучения, сбрасывающий инверсию населенности среды в исходное состояние.
На Фиг.2 показана типичная картина изменения сигнала мощности 70, Р (ASE) в ответвленной части 50 после регистрации оптоэлектронным преобразователем 40, в моменты прохождения импульсов от задающего мастер-осциллятора при разных уровнях инверсии активной среды (разных усилениях накачиваемой среды), в пассивном режиме управления мощностью и частотой следования импульсов, т.е. при постоянной накачке устройства накачки 20 и постоянной частоте следования запускающих импульсов мастер-осциллятора 30. На Фиг.2 видно, что уровень люминесценции перед четными и нечетными импульсами различен (резкие выбросы на рисунке соответствуют оптическим импульсам). Нечетным импульсам (если считать слева) соответствует меньшее значение коэффициента усиления и инверсии. Развивающийся оптический импульс имеет относительно малую выходную энергию, так что уровень инверсии незначительно изменяется после него (наблюдается только небольшое проседание ASE). До следующего (четного) импульса инверсия опять нарастет, так что коэффициент усиления перед четным импульсом значительно больше, чем перед нечетным. В результате образуется импульс большой энергии, сильно просаживающий инверсию. Устранить этот нежелательный эффект можно включением активного режима управления, частотой следования путем сравнения соотношения спектральной плотности в коротковолновой и длинноволновой областях спектра ASE с помощью одного фотоприемного устройства. Поясним это ниже.
На Фиг.3 схематично представлен спектр ASE при 4-х различных стационарных уровнях диодной накачки: кривые 1-4, по мере роста тока накачки Yb - усилителя. Для разных активных сред вид спектра может отличаться, но два максимума будут так или иначе характерны для спектральной области длин волн 1030 нм (коротковолновая часть ASE) и 1060 нм (длинноволновая часть ASE).
Способ сводится к измерению производной во времени кинетики нарастания (изменения сигнала ASE во времени t1-t4, Фиг.4) интегральной мощности ASE по схеме, представленной на Фиг.1. Характерно, что в спектре ASE при росте тока накачки сначала преобладает длинноволновое излучение (кривые 1, 2, Фиг.3) а затем к нему добавляется более коротковолновая часть (кривые 3, 4, Фиг.3), это определяется зонной структурой лазерного материала. Поэтому развертку спектра ASE во времени можно получить, дифференцируя интегральную (полную) мощность ASE, приходящую ко входу фотоприемника. Далее следует сопоставить полученные таким образом сигналы в разные моменты времени t1-t4 и принять решение, посредством контроллера, на выработку команды на запуск импульса с мастер-осциллятора или выключение тока диодной накачки. На Фиг.5 представлены графики нарастания мощности ASE (сплошная кривая) и ее производной (пунктирная кривая) во времени t между импульсами лазера. По соотношению производных dASE/dt в моменты времени t1 и t2:
при t1 производная равна: dASE(t1)/dt,
при t2 производная равна: dASE(t2)/dt,
а их отношение - предварительно измеренная величина, хранится в памяти контроллера, для данного примера это число 1,33. Эта величина не зависит от ответвляемой мощности. Как только соотношение производных превышает число 1,33, контроллер подает команду через ц.а.п. или логическое устройство на мастер-осциллятор и запускается импульс - при фиксированной мощности накачки. В другом режиме, постоянной частоты следования импульсов, фиксируются времена t1 и t2, а нужное соотношение соответствующих производных dASE(t1)/dt и dASE(t2)/dt достигаются подстройкой мощности накачки.
Таким образом осуществляется способ дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды импульсного лазера по кинетике нарастания ответвленной части ASE в процессе накачки, состоящий:
- в дифференцировании во времени части ответвленной нарастающей мощности ASE в интервале между импульсами,
- в сравнении с табличным значением отношения двух максимальных результатов дифференцирования из области начального роста ASE и в конце интервала,
- в принятии решения на изменение уровня накачки и/или запуск очередного импульса мастер-осциллятором.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Блок-схема импульсного лазера:
10 - активное волокно,
11, 12 - зеркала оптического резонатора,
20 - устройство накачки,
30 - мастер-осциллятор,
40 - оптоэлектронный преобразователь,
50- оптический ответвитель,
70 - выходные электрические сигналы оптоэлектронного преобразователя,
80 - контроллер,
81, 82 - ц.а.п.,
83 - а.ц.п.,
90 - управляющий сигнал ц.а.п. к мастер-осциллятору,
100 - управляющий сигнал ц.а.п. к устройству накачки,
110 - выходное излучение мастер-осциллятора,
120- выходное лазерное излучение.
Фиг.2. Осциллограмма оптического излучения импульсного лазера (выходного сигнала фотоэлектронного преобразователя) при постоянных уровне накачки и частоте следования импульсов мастер-осциллятора.
Фиг.3. Спектр (схематично) ASE при 4-х различных уровнях диодной накачки: кривые 1-4, по мере роста тока накачки Yb - усилителя.
Фиг.4. Кинетика нарастания сигнала Р мощности ASE во времени t в промежутках между импульсами.
Фиг.5. Нарастание мощности ASE (сплошная кривая) и ее производной (пунктирная кривая) во времени t между импульсами лазера.
Фиг.6. Осциллограмма выходных импульсов волоконного лазера на частоте следования 1 кГц.
Осуществление изобретения
Предложенные способы и устройства были апробированы применительно к волоконным импульсным лазерам и оптическим усилителям с активными волокнами различного типа в лазерных устройствах фирм ООО «НТО «ИРЭ-Полюс» (Россия), IPG Photonics (США), IPG Laser (Германия).
В качестве оптического ответвителя мощности 50 (Фиг.1) можно использовать 1% ответвитель (возможно использование дополнительного аттенюатора 10-100 дБ при работе с большими мощностями). Отметим, что знание коэффициента аттенюации в предлагаемом изобретении не требуется, это существенно упрощает техническую сторону вопроса отведения излучения и позволяет использовать некалиброванный ответвитель менее 1%.
Оптоэлектонные преобразователи выполняют на основе фотоприемников, например, серии ЕРМ6хх (JDSU).
Микроконтроллеры были применены фирмы SILICON LABORATORIES серии C8051F06x. Микроконтроллер принимает электрические сигналы на входы а.ц.п., осуществляет цифровую фильтрацию, дифференцирование, необходимые вычисления и сравнения с данными, хранящимися в его памяти, с помощью ц.а.п. управляет диодной накачкой и мастер-осциллятором, изменяет мощность накачки и предотвращает от оптического пробоя.
Мастер-осциллятор представляет собой полупроводниковый лазер с прямой модуляцией или с внешним модулятором.
На Фиг.6 приведена осциллограмма выходных импульсов волоконного лазера на частоте следования 1 кГц, длина волны 1,06 мкм при двух разных уровнях накачки при пиковой мощности до 10 кВт.
Промышленная применимость
Предложенные способы и устройства могут найти широкое применение в лазерной промышленности, в устройствах связи с оптическими усилителями, медицинских импульсных лазерах и в новых разработках.