Устройство для переключения режимов работы оптоволоконного лазера и способ его изготовления
DEVICE FOR SWITCHING MODES OF OPERATION OF FIBRE-OPTIC LASER AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
Изобретение относится к оптическим элементам для волоконных лазеров, в частности к насыщающимся поглотителям.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент РФ №2485562, опубликованный 20 июня 2013 года, «Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками (варианты)». В документе описан модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными (однослойными) углеродными нанотрубками на одномодовом оптическом волокне. Полимерный композит содержит полимер, смешанный с одностенными углеродными нанотрубками, выбранный поглощать излучение с необходимой длиной волны. Пленка композита с нанотрубками расположена на поверхности, сполированной вдоль одной плоскости оболочки волокна. Технический результат заключается в обеспечении повышения оптической стойкости поглотителя.
Из уровня техники известен патент РФ №2486647, опубликованный 27 июня 2013 года, «Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса». В документе описан волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит последовательно установленные лазер накачки, модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное иттербием волокно, разветвитель, контроллер поляризации, устройство для обеспечения режима самозапуска и синхронизации мод, выполненное как интегрированный в оптическое волокно пленочный насыщающийся поглотитель на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками. Часть волоконного лазера, содержащая легированное иттербием волокно, модуль ввода излучения лазера накачки в активное волокно, изолятор-поляризатор и волоконный разветвитель, выполнена из одномодового волокна с поддержкой поляризации. Пленочный насыщающийся поглотитель расположен на поверхности плоскости D-образно сполированной оболочки одномодового волокна, причем плоскость D-образно сполированной оболочки волокна выставлена так, чтобы поляризация проходящего излучения лежала в этой плоскости. Технический результат заключается в обеспечении возможности сохранения стабильной поляризации на выходе при генерации сверхкоротких импульсов на длине волны 1 мкм.
Также известна патентная заявка США № US 2013180650, опубликованная 18 июля 2013 года, «Single-walled carbon nanotube saturable absorber production via multi-vacuum filtration method», в которой представлен метод изготовления насыщающегося поглотителя на основе углеродных нанотрубок методом вакуумной фильтрации.
В качестве прототипа выбирается устройство, раскрытое в статье «Active control of all-fibre graphene devices with electrical gating. Nature Communications» от 2015 года авторов Lee, E.J., Choi, S.Y., Jeong, H., Park, N.H., Yim, W., Kim, M.H. Устройство насыщающегося поглотителя представляет собой подложку, на которой зафиксирована часть D-образно сполированной оболочки волокна, а также размещены электроды. При этом к электродам и сполированной оболочке волокна прижимается пленка графена в ионной жидкости. Устройство позволяет эффективно контролировать поглощение в волокне. Недостатком является то, что графен является полуметаллом. В результате он имеет малое просветление под действием света (глубина модуляции).
Полупроводниковые нанотрубки обладают существенно отличающейся от графена структурой - это полупроводник с запрещенной зоной порядка 1 eV. Это приводит к большей величине просветления (глубине модуляции). Большая глубина модуляции увеличивает стабильность импульсной генерации и диапазон возможных режимов импульсной генерации.
Техническая задача и технический результат
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка устройства для переключения импульсных режимов работы оптоволоконного лазера и способ его изготовления, который требует меньше технологических операций.
Технический результат осуществления изобретения совпадает с технической задачей, а также обеспечивает создание устройства для переключения режимов работы оптоволоконного лазера, обладающего повышенной стабильностью.
Решение
Для достижения технического результата предлагается устройство для переключения режимов работы оптоволоконного лазера на основе управляемого насыщающегося поглотителя из углеродных нанотрубок, состоящее из подложки, на которой размещены электрод, противоэлектрод, отполированная до сердцевины часть оптоволокна, соединенная прямым контактом с электродом, выполненным в виде пленки из углеродных нанотрубок, при этом отполированная часть волокна, пленка и противоэлектрод соединены электрически между собой через ионную жидкостью, и указанная пленка выполнена с возможностью изменения нелинейного поглощения на длине волны лазера при приложении разности потенциалов на электрод и противоэлектрод.
Устройство может быть выполнено таким образом, что в качестве ионной жидкости используют C2mim BF4, или DEME BF4, или C2mim PF6, или EMI BF4, или MEMP TFS с рабочим окном от -2 В до 2 В. При этом устройство может включать электрод сравнения.
Для достижения технического результата предлагается способ изготовления устройства для переключения режимов работы оптоволоконного лазера, включающий следующие операции:
- получают пленку однослойных (одностенных) углеродных нанотрубок, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы на частицах катализатора пролетающих в газовом потоке через горячую зону печи и образующих указанные нанотрубки, осажденные на фильтре, установленном на выходе из печи, при этом изменением параметров синтеза подбирают диаметр нанотрубок, обеспечивающий максимальное поглощение для данной толщины пленки на длине волны лазера,
- закрепляют на подложке оптическое волокно, часть которого отполирована до сердцевины,
- прижимают путем прямого контакта пленку углеродных нанотрубок к плоской поверхности полированного волокна,
- рядом на подложке размещают электрод сравнения и противоэлектрод,
- покрывают пленку углеродных нанотрубок на плоской поверхности полированного волокна каплей ионной жидкости, таким образом, чтобы пленка, электрод сравнения и противоэлектрод оказались связанными ионной жидкостью.
Частным случаем реализации способа является вариант, при котором проводят все операции в атмосфере аргона и затем устройство для переключения режимов работы лазера изолируется от воздуха.
Другим частным случаем реализации способа является вариант, при котором используется лазер на длине волны 1560 нм, и при этом диаметр нанотрубок, прижатых к волокну, составляет от 1.3 нм до 1.4 нм.
Описание чертежей
На фигуре 1 представлено распространение моды через волокно, полированное до сердцевины (D-форма в сечении или сполированное волокно), а также указаны ТМ и ТЕ моды пленки. При этом поз. 1 - полированная поверхность волокна, поз. 2 - сердцевина оптического волокна, поз. 3 оболочка.
На фиг. 2-5 представлены этапы создания устройства для переключения режимов работы оптоволоконного лазера в разрезе. На схеме введены следующие обозначения поз. 4 - стеклянные подложки, поз. 5 - пленка из нанотрубок, поз. 6 - ионная жидкость, поз. 7 - электрод сравнения, поз. 8 - противоэлектрод.
На фиг. 6 представлена возможная схема использования устройства для переключения режимов работы оптоволоконного лазера. Введены следующие обозначения: поз. 14 - лазерный светодиод, поз. 15 - мультиплексор с разделением по длине волны (WDM), поз. 9 - легированное эрбием волокно (EDFA), поз. 10 - изолятор (ISO 1550), поз. 11 - устройство для переключения режимов работы оптоволоконного лазера, поз. 12 - элемент для контроля поляризации, поз. 13 - светоделитель, выводящий лазерное излучение наружу через волокно.
Детальное описание решения
В описании данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из».
Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.
Предлагаемое изобретение относится к генерации импульсов в волоконных лазерах с использованием насыщающегося поглотителя на однослойных углеродных нанотрубках (SWCNTs) без полимера, синтезированных методом аэрозольного синтеза. Преимуществами решения являются широкий спектральный диапазон работы, высокая энергия, низкая себестоимость, технологичность.
Сутью решения является устройство для переключения режимов работы оптоволоконного лазера (фиг. 2-5), состоящее из полированного оптоволокна (1, 2, 3) и пленки углеродных нанотрубок (5), соединенных друг с другом путем прямого контакта без использования полимерной матрицы или поверхностно-активных веществ, и помещенных в ионную жидкость (6), при этом данная пленка углеродных нанотрубок выполнена с возможностью изменения поглощения световых волн в определенном диапазоне при подаче напряжения на электроды (5, 7, 8).
Углеродные нанотрубки на поверхности полированного волокна (фиг. 1, поз. 1) взаимодействуют с эванесцентной волной и работают как насыщающийся поглотитель. Управление поглощением осуществляется при подаче напряжения на углеродные нанотрубки (5), помещенные в ионную жидкость (6), и противоэлектрод (8), выполненный из проводящего материала и помещенного в ту же ионную жидкость. Изменение поглощения углеродных нанотрубок на рабочей длине волны лазера позволяет осуществлять контролируемое воспроизводимое переключение режимов импульсной генерации волоконного лазера - синхронизации мод и модуляции добротности.
Синтез нанотрубок осуществляется методом химического осаждения из газовой фазы при пролете частицы катализатора в газовом потоке через горячую зону печи. На выходе из печи нанотрубки собираются на фильтре, образуя однородную пленку. Толщина пленки определяется временем сбора нанотрубок.
Пленка нанотрубок на фильтре может быть перенесена на любую подложку методом сухого переноса. В данном методе пленка прислоняется к подложке и после небольшого давления переходит с фильтра на подложку. Этот метод может быть масштабируем на массовое производство. При этом пленка состоит из полупроводниковых и металлических нанотрубок с долей полупроводниковых 2/3 или более. В качестве ионных жидкостей могут использоваться C2mim BF4, DEME BF4, C2mim PF6, EMI BF4, MEMP TFSI или любые аналоги.
Важным отличием предлагаемого изобретения является другая технология изготовления, при которой требуется только один шаг, а не три как в случае с графеном. Более того, поскольку графен является полуметаллом, то имеет малое просветление под действием света (глубина модуляции). Использование смеси углеродных нанотрубок: 2/3 полупроводниковых, 1/3 металлических, - дает следующие преимущества. Полупроводниковые нанотрубки обладают существенно отличающейся от графена структуруй - это полупроводник с запрещенной зоной порядка 1 eV. Это приводит к большей величине просветления (глубине модуляции). Большая глубина модуляции увеличивает стабильность импульсной генерации и диапазон возможных режимов импульсной генерации. Металлические нанотрубки в смеси обеспечивают быстродействие насыщающегося поглотителя.
На фиг. 6 изображен пример использования устройства для переключения режимов работы оптоволоконного лазера (11). При реализации эксперимента использовалось 10 м волокна, легированного эрбием (9), которое накачивалось при помощи лазерного диода BL976-PAG500 (14) на длине волны 980 нм, который подсоединялся к кольцевому резонатору через мультиплексор с разделением по длине волны (15). Через светоделитель (13) 50% лазерного излучения выводилось наружу из резонатора, на другом конце резонатора установлен изолятор 10 (ISO 1550). Устройство для контроля поляризация излучения (12) замыкает кольцевой резонатор и соединяется с мультиплексором 15. Общая длина собранного лазера составляет 20 м. Длина волны выходящего из резонатора лазерного излучения составляет 1560 нм.
В лазере на фиг. 6 использовалось устройство для переключения режимов работы оптоволоконного лазера (11), в которых насыщающийся поглотитель на однослойных углеродных нанотрубках имел нанотрубки определенного диаметра. Толщина пленки углеродных нанотрубок рассчитывается из эмпирической формулы
D=-417 lg (T),
где D - толщина пленки (диаметр нанотрубок), Т - прозрачность пленки на длине волны лазера. Так для случая 40% пропускания толщина пленки углеродных нанотрубок равна 170 нм, а в случае 60% пропускания толщина нанотрубок должна быть равна 90 нм.
Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные случаи приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть, понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.