ВОЛОКОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к лазерам - приборам для генерации с использованием стимулирующего излучения когерентных электромагнитных волн.
Из существующего уровня техники известен волоконный лазер с пассивной синхронизаций мод излучения за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения в оптоволокне (M.E. Fermann, M.J. Andrejco, Y. Silberberg, and M.L. Stock. Passive mode locking by using nonlinear polarization evolution in a polarization-maintaining erbium-doped fiber. Optics Letters, Vol. 18, Issue 11, pp. 894-896 (1993)).
Недостатками данного технического решения является то, что в лазере в качестве элементов фазовой задержки используются волоконные механические контроллеры поляризации, действие которых основано на деформации волокна (скручивание и/или сжатие). Волоконные контроллеры поляризации на основе механической деформации оптоволокна, не могут, как правило, сохранять настройку в течение длительного времени из-за пластической деформации оптоволокна, состоящего из аморфного кварца. В связи с этим вносимые контроллерами фазовые задержки с течением времени могут изменяться, что приводит к выходу лазера из заданного режима генерации и необходимости его периодической или регулярной подстройки и технического обслуживания высококвалифицированными специалистами, что сопряжено со значительными затратами времени и материальных ресурсов.
Также из существующего уровня техники известен гибридный лазер, оптический резонатор которого включает отрезки оптического волокна и дискретные оптические элементы - двулучепреломляющие фазовые пластинки, вносящие относительную задержку между двумя компонентами поляризации внутрирезонаторного лазерного излучения (М.Е. Fermann, L. - M. Yang, M.J. Andrejco, and M.L. Stock, ”Environmentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber laser producing 360-fs pulses,” Optics Letters, Vol. 19, Issue 1, pp. 43-45 (1994)). Режим пассивной синхронизации мод в таком лазере достигается настройкой углов ориентации одной или нескольких двулучепреломляющих пластинок, присутствующих в резонаторе волоконного лазера.
Недостатком данного технического решения является то, что в лазере используются дискретные объемные (не волоконные) элементы, требующие сложной прецизионной юстировки и настройки как перед первым запуском лазера, так и после транспортировки лазера от завода-изготовителя до конечного потребителя (пользователя), что требует участия высококвалифицированных специалистов и сопряжено со значительными затратами времени и материальных ресурсов.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения, описанный в работе: D. Radnatarov, S. Khripunov, S. Kobtsev, A. Ivanenko, S. Kukarin. ”Automatic electronic-controlled mode locking self-start in fibre lasers with non-linear polarisation evolution.| Optics Express, Vol. 21, Issue 18, pp. 20626-20631 (2013)). Волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения состоит из источника накачки и волоконного кольцевого резонатора, включающего волоконный модуль спектрального сведения, отрезок активного волокна, отрезок пассивного волокна, оптический изолятор для обеспечения однонаправленного режима генерации, выходной ответвитель лазерного излучения, поляризационный делитель, жидкокристаллический поляризационный элемент фазовой задержки с приложенным к нему электрическим напряжением, величиной которого управляют с помощью электроники. Для синхронизации мод лазера используют эффект нелинейной эволюции поляризации излучения в оптоволокне резонатора, запуск режима синхронизации мод излучения и управление параметрами режима осуществляется изменением электрического напряжения, прикладываемого к жидкокристаллическому поляризационному элементу и регулировкой мощности источника накачки. В зависимости от указанных двух параметров настройки в лазере могут реализовываться различные режимы генерации.
Недостатком данного технического решения является использование дискретного жидкокристаллического элемента фазовой задержки, обуславливающее необходимость его точного сопряжения с оптическим волокном, прецизионной юстировки и настройки лазера при сборке и после транспортировки. Еще одним недостатком указанной схемы является сложность изготовления жидкокристаллического элемента фазовой задержки и связанная с ней высокая рыночная стоимость такого элемента и всего лазера в целом.
Задачей полезной модели является создание волоконного лазера со стабильной пассивной синхронизацией мод излучения, обеспечивающей режим генерации одиночных сверхкоротких оптических импульсов, обладающего высокой эффективностью преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, характеризующегося надежной конструкцией и не требующего технического обслуживания в процессе эксплуатации и транспортировки.
Поставленная задача решается за счет того, что в волоконном лазере, содержащем источник накачки и волоконный кольцевой резонатор, состоящий из волоконного модуля спектрального сведения, вход накачки которого соединен с источником накачки, сигнальный вход соединен с поляризационно независимым оптическим изолятором, а выход модуля соединен с активным волокном, другой конец активного волокна соединен с концом волоконного элемента фазовой задержки, другой конец волоконного элемента фазовой задержки соединен со входом волоконного ответвителя с поддержкой поляризации для вывода поляризованного излучения лазера из резонатора через выход волоконного ответвителя, второй выход волоконного ответвителя соединен со входом поляризационно независимого оптического изолятора, согласно предлагаемому техническому решению волоконный элемент фазовой задержки выполнен в виде отрезка оптического волокна длиной не менее 11 м, уложенного в виде витков со скруткой и изгибами и надежно фиксированного вместе со всеми оптическими элементами лазерного резонатора системой механической фиксации, включающей набор крепежных элементов и/или заливку волоконного резонатора отвердевающим заполнителем.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность реализации в волоконном лазере стабильной пассивной синхронизацией мод излучения, обеспечивающей режим генерации одиночных импульсов, высокую эффективность преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, надежность конструкции и отсутствие необходимости технического обслуживания в процессе эксплуатации и после транспортировки.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой схематически изображен волоконный лазер сверхкоротких импульсов. Волоконный кольцевой лазер сверхкоротких импульсов состоит из источника накачки 1 и волоконного кольцевого резонатора, включающего волоконный модуль спектрального сведения 2, поляризационно независимый оптический изолятор 3, активное волокно 4, волоконный элемент фазовой задержки 5, волоконный ответвитель с поддержкой поляризации 6, систему механической фиксации оптического волокна 7.
Устройство работает следующим образом.
2
-6
-4
Излучение накачки, генерируемое источником 1 оптического излучения накачки, через волоконный модуль спектрального сведения 2 попадает в активное волокно 4, переводя активную среду лазера в возбужденное состояние; генерация лазера осуществляется в кольцевом резонаторе; однонаправленный режим генерации обеспечивается поляризационно независимым оптическим изолятором 3; вывод поляризованного излучения 8 из резонатора производится волоконным ответвителем 6 с поддержкой поляризации излучения. Режим синхронизации мод излучения реализуется за счет эффекта нелинейного вращения поляризации, основанного на вращении эллипса поляризации излучения при распространении в активном оптическом волокне 4 и волоконном элементе фазовой задержки 5 за счет Керровской (кубической) нелинейности, при этом возникновение начальной эллиптичности поляризации обусловлено скруткой и изгибом оптического волокна в волоконном элементе фазовой задержки 5. Скрутку и изгиб волокна, создают в процессе укладки волокна для обеспечения двулучепреломления волокна, необходимого для запуска режима синхронизации мод, при этом режим генерации в процессе первоначальной настройки лазера контролируют при помощи осциллографа и анализатора оптического спектра, подключенных в процессе укладки волокна к ответвителю с поддержкой поляризации, выводящему поляризованное излучение лазера из резонатора, путем поиска такого способа укладки волокна, при котором достигается осциллограмма выходного излучения в виде последовательности сверхкоротких импульсов, а оптический спектр имеет П-образную форму. После укладки оптическое волокно жестко фиксируют с помощью системы механической фиксации, включающей набор крепежных элементов и/или заливку волоконного резонатора отвердевающим заполнителем, что предотвращает изменение изгибов волокна и вносимого ими двулучепреломления и препятствует выходу лазера из режима генерации. Система механической фиксации 7 исключает изменение скрутки и изгиба оптического волокна в процессе эксплуатации и транспортировки лазера и сохраняет режим генерации в процессе всего срока службы лазера. Генерируемые лазером сверхкороткие импульсы выводятся из резонатора через волоконный ответвитель 6 в виде поляризованного выходного излучения 8 Для работы лазера необходимо, чтобы длина волоконного элемента фазовой задержки 5 была не менее 11 м. Действительно, как известно из статьи Payne D.N., Barlow A.J., Hansen J.J.R., Development of low- and high-birefringence optical fibers // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1982. - Vol. 18. - No. 4. - p. 477-488, длина кварцевого волокна, соответствующая фазовой задержке на 2π, равна 2πλ (R/r)/0.85, где λ - длина волны излучения, R - радиус изгиба волокна, г - радиус волокна. Для типичных параметров λ=1.55×10 м, R=0.2 м, r=10 м получаем длину волокна, равную 45.8 м. Соответственно, длина волокна, необходимая для создания относительной фазовой задержки между компонентами поляризации, равной ±π/2, составляет 11.4 м. Следовательно, с помощью отрезка волокна длиной 11.4 м и более можно создать произвольную относительную задержку на полупериоде фазы за счет изменения способа укладки оптического волокна, что позволяет запустить режим пассивной синхронизации мод так же, как и при использовании элементов фазовой задержки на основе контроллеров поляризации или дискретных фазовых пластин.