ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР СО СВЕРХКОРОТКОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ИМПУЛЬСА
ULTRASHORT PULSE FIBRE LASER

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к волоконным лазерам со сверхкороткой длительностью импульса.
В волоконном лазере импульсный режим и сверхкороткая длительность импульса может быть обеспечена за счет комбинации активной и пассивной синхронизации лазерных мод.
Известен волоконный лазер с синхронизацией мод JP 2501468 (В2), в котором оптический модулятор работает на частоте, эквивалентной частоте кольцевого резонатора, и позволяет генерировать импульсное излучение. Однако предложенная схема не является полностью волоконной, что ведет к потерям энергии и сложности юстировки лазера.
Известен полностью волоконный лазер с синхронизацией мод, позволяющий генерировать фемтосекундные и пикосекундные импульсы, US 7907645, в котором в качестве модулятора использован установленный в волокно делитель луча по поляризации, действующий как насыщающийся поглотитель для введения синхронизации мод. Однако делитель луча не является волоконным элементом, что ведет к существенным потерям и сложности юстировки оптической схемы лазера.
Задачей изобретения является создание полностью волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса.
Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса, содержащий лазер накачки, последовательно установленные и образующие кольцевой резонатор модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллер поляризации, волоконные поляризаторы, контроллер поляризации, изолятор, волоконный лазер содержит акустооптический модулятор, активный элемент которого установлен непосредственно на волокно кольцевого резонатора между волоконными поляризаторами с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации, частота генератора акустооптического модулятора равна собственной частоте волоконного лазера. Собственная частота резонатора волоконного лазера равна обратной величине времени одного обхода светового импульса по кольцевой схеме данного волоконного резонатора. Контроллеры поляризации используются для реализации пассивной синхронизации мод на эффекте вращения нелинейной поляризации. Лазер содержит акустооптический модулятор, активный элемент которого расположен непосредственно на волокне кольцевого резонатора между поляризаторами с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации. Акустооптический модулятор является активным устройством для синхронизации мод в волоконном лазере. Акустооптический модулятор, индуцируя в волокне акустическую волну, формирует в волокне периодические изменения показателя преломления в направлении распространения акустической волны, создавая динамическую дихроичную среду для излучения, распространяющегося по волокну в зоне действия акустической волны. При распространении излучения в волокне вдоль активного элемента акустооптического модулятора поляризация излучения изменяется, что позволяет импульсу света пройти через второй поляризатор. Активное устройство оптического модулятора установлено непосредственно на волокно кольцевого резонатора, частота генератора акустооптического модулятора равна собственной частоте кольцевого резонатора. При таком исполнении все элементы кольцевого резонатора являются волоконными, комбинация пассивной синхронизации мод, за счет эффекта вращения нелинейной поляризации, и активной синхронизации мод, за счет акустооптической модуляции показателя преломления, позволяет получить стабильное излучение со сверхкороткой длительностью импульса в волоконном лазере.
Плоскость активного элемента акустооптического модулятора составляет угол в 45 градусов с направлениями поляризации волоконных поляризаторов. При таком исполнении глубина модуляции интенсивности проходящего излучения максимальна, а синхронизация мод осуществляется наиболее эффективно.
Амплитуда периодических изменений показателя преломления в волокне максимальна, когда акустическая частота колебаний совпадает с резонансом оптического волокна в месте соединения с активным элементом акустооптического модулятора, определяемого диаметром оболочки волокна. При работе акустооптического модулятора на частоте, равной частоте акустического резонанса, в волокне формируется стоячая акустическая волна, что приводит к увеличению глубины модуляции показателя преломления, что в результате дает наибольшую глубину модуляции проходящего излучения.
Собственная частота резонатора волоконного лазера равна частоте акустического резонанса оптического волокна в месте соединения с активным элементом акустооптического модулятора, поэтому при включении акустооптического модулятора на частоте, равной собственной частоте резонатора волоконного лазера, глубина модуляции интенсивности проходящего излучения максимальна, что приводит к наиболее эффективной синхронизации мод в волоконном лазере.
Длина активного элемента акустооптического модулятора составляет от 0,5 до 2 см. При увеличении длины активного элемента акустооптического модулятора будет увеличиваться длительность импульса, при существенном уменьшении длины активного элемента акустооптического модулятора снижаются глубина модуляции и эффективность синхронизации мод, что приводит к нестабильности работы лазера.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание полностью волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса, с эффективной синхронизацией мод и стабильной работой.
На фиг.1. представлена общая схема полностью волоконного лазера с синхронизацией мод.
На фиг.2. представлено поперечное сечение волокна с активным элементом акустооптического модулятора.
На фиг.1. волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит лазер накачки 1, соединенный с модулем ввода излучения в волокно 2, легированное редкоземельным элементом волокно 3, разветвитель 4, соединенный с выводом лазерного излучения 11, волоконные поляризаторы 6 и 8 с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации. Между волоконными поляризаторами 6 и 8 установлен на волокно 12 активный элемент акустооптического модулятора 7, соединенный с генератором 10. Лазер содержит изолятор 9 и контроллеры поляризации 5. Все элементы волоконные. Модуль ввода излучения лазера накачки в волокно 2, легированное редкоземельным элементом волокно 3, разветвитель 4, поляризаторы 6, 8, изолятор 9 и контроллеры поляризации 5 образуют кольцевой волоконный резонатор.
x
y
x
y
При включении лазера накачки 1 излучение через модуль ввода 2 попадает в кольцевой резонатор. При средней мощности накачки чуть выше порога лазер излучает в режиме свободной генерации. При прохождении поляризатора 6 излучение в волокне 12 приобретает поляризацию в направлении, показанном стрелкой Р1 на фиг.2. На фиг.2: 13 - прижимное устройство; 12в - оболочка оптического волокна; 12а - сердцевина оптического волокна; 14 - кварцевый резонатор, являющийся активным элементом акустооптического модулятора 7, установленный непосредственно на волокно 12; 15 - пьезоэлектрический преобразователь. Прижимное устройство модулятора 13 обеспечивает позиционирование волокна 12 на кварцевом резонаторе 14, а также вносит статическое изменение коэффициента преломления волокна 12 вдоль направлений осей Х и Y. В этом случае входящая линейная поляризация Р1 раскладывается по осям Х и Y с разными коэффициентами преломления, что вызывает на выходе модулятора фазовый сдвиг 2π(n-n)L/λ, где n - показатель преломления вдоль оси X; n - показатель преломления вдоль оси Y; L - длина кварцевого резонатора; λ - длина волны излучения, результирующая поляризация на входе поляризатора 8 становится эллиптической, что позволяет части излучения проходить через поляризатор 8. Излучение блокируется поляризатором 8, если статический фазовый сдвиг модулятора равен πn, и полностью пропускается, если статический фазовый сдвиг равен π(1+2n)/2. При включении генератора 10, соединенного с пьезоэлектрическим преобразователем 15, акустические колебания возникают в кварцевом резонаторе 14, а затем передаются в оптическое волокно 12 и распространяются вдоль оси Y. Таким образом, на участке волокна 12, контактирующем с кварцевым резонатором 14 на длине L, возникают периодические изменения показателя преломления вдоль направления оси Y вследствие распространения акустической волны, и проходящее через модулятор 7 излучение приобретает динамический фазовый сдвиг, частота изменения которого равна частоте акустических колебаний. Если первоначально статистический фазовый сдвиг выставлен так, что модулятор 7 заперт, то при включении генератора 10 модулятор будет открываться с частотой генерируемых в волокне 12 акустических колебаний. Если частота модулятора 7 совпадает с собственной частотой резонатора волоконного лазера, то создаются условия для активной синхронизации мод и генерации сверхкоротких импульсов.
В схеме волоконного лазера использовано одномодовое оптическое волокно с диаметром сердцевины 6 мкм и диаметром оболочки D=125 мкм, а также отрезок активного волокна длиной 60 см, легированный иттербием. Данная схема волоконного лазера при накачке диодным лазером с максимальной средней мощностью 450 мВт на длине волны 976 нм позволяет получить на выходе 11 генерацию пикосекундных импульсов, центрированных на длине волны λ=1035 нм. Контроллеры поляризации 5 на фиг.1 используются для реализации пассивной синхронизации мод на эффекте вращения нелинейной поляризации. Одновременное использование активной и пассивной синхронизации мод в лазере создает условия для самозапуска импульсной генерации, а также укорачивает длительность световых импульсов. В качестве активного элемента волоконного модулятора использовался кварцевый акустооптический модулятор МЛ-202 с модуляционным элементом в виде призмы из плавленого кварца с присоединенным к одной из граней призмы преобразователем из ниобата лития. Наибольшая глубина модуляции и наиболее эффективная синхронизация мод наблюдалась при резонансных частотах 22.48 МГц и 23.08 МГц модулятора МЛ-202, которые близки к акустическому резонансу волокна F=v/2D=23.04 МГц, где v=5760 м/с - скорость звука в кварце. Общая длина оптического волокна кольцевого лазерного резонатора составляла около 9 метров и более точно подбиралась такой, чтобы собственная частота волоконного резонатора была равна частоте акустического резонанса волокна.