ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ
FIBRE LASER FOR GENERATING LIGHT PULSES

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке генераторов световых импульсов с высокой энергией излучения, применяемых в локации, при зондировании атмосферы, прецизионной обработке материалов, создании сверхсильных световых полей, исследовании быстропротекающих процессов в физике, химии, биологии и т.д.
Известен волоконный лазер для генерации световых импульсов (A. Chong, W.H. Renninger, and F.W. Wise, "All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20 nJ". Optics Lett. 32, №16, pp.2408-2410, 2007), волоконный кольцевой резонатор которого состоит из двух соединенных волокон с суммарной нормальной дисперсией. Одно из них является активным волокном. Оно активировано ионами редкоземельных металлов и играет роль усилителя. Непрерывное излучение накачки, создающее в активном волокне инверсную заселенность для усиления лазерного излучения, поступает в волоконный кольцевой резонатор через ответвитель ввода излучения накачки. Имеется также система вывода лазерного излучения из волоконного кольцевого резонатора. В разрыв волоконного кольцевого резонатора помещается устройство, состоящее из поляризатора и фазовых пластин, которое создает нелинейные потери, формирующие световые импульсы. Возникновение нелинейных потерь связано с эффектом нелинейного вращения поляризации излучения в волоконной среде. Другое волокно является пассивным. Из-за слабости эффекта нелинейного вращения поляризации излучения пассивное волокно выбрано достаточно длинным ~10 м, что значительно длиннее, чем активное волокно, имеющее длину ~1 м. Вследствие нормальной дисперсии волокна и нелинейной фазовой модуляции формируемого импульса, реализующейся за счет нелинейного показателя преломления волоконной среды, возникает значительное удлинение формируемого импульса, что, соответственно, при той же пиковой мощности импульса, определяемой нелинейными эффектами, приводит к увеличению его энергии. Из-за значительной фазовой модуляции крыльев импульса возникает дополнительный механизм их подавления, связанный с конечной шириной полосы усиления активной среды. Такой волоконный лазер генерирует импульсы с энергией ~10 нДж и длительностью порядка нескольких пикосекунд.
Однако указанное устройство не дает возможности существенного увеличения энергии генерируемых импульсов.
Кроме того, известен волоконный лазер для генерации световых импульсов, являющийся прототипом предлагаемого изобретения (S.M. Kobtsev, S.V. Kukarin, S.V. Smirnov, and Y.S. Fedotov, "High-energy mode-locked all-fiber laser with ultralong resonator", Laser Physics. 20, №2, pp.351-356, 2010). Указанный лазер с высокой энергией импульсов излучения (>1 мкДж при их длительности ~10 нс), содержит волоконный кольцевой резонатор с суммарной нормальной дисперсией, состоящий из активного и пассивного волокон с их общей длиной более 1 км, а также ответвитель вывода генерируемого излучения, соединенный своим входом с выходом волоконного кольцевого резонатора, и ответвитель ввода излучения накачки, выход которого соединен с входом активного волокна. Непрерывное излучение накачки, создающее в активном волокне инверсную заселенность, вводится в резонатор через ответвитель ввода излучения накачки, выход которого соединен с входом активного волокна. Имеется также ответвитель вывода генерируемого излучения, соединенный своим входом с выходом волоконного кольцевого резонатора. В разрыв волоконного кольцевого резонатора помещается система поляризационного контроля, создающая нелинейные потери, основанные на эффекте нелинейного вращения поляризации излучения, которые приводят к формированию импульса излучения. Уменьшение частоты следования импульсов в выходном излучении, обусловленное более длинным волоконным кольцевым резонатором, приводит к увеличению их энергии при неизменной средней мощности лазера.
Однако указанный волоконный лазер обладает генерационной особенностью, связанной с потерей устойчивости одноимпульсного режима пассивной синхронизации мод при достаточно больших длинах пассивного волокна. Возникающая неустойчивость проявляется в появлении в волоконном кольцевом резонаторе новых импульсов, в структурировании генерируемого импульса, в возникновении значительной шумовой составляющей излучения вне объема генерируемого импульса. Эта генерационная особенность приводит к ухудшению качества генерируемых импульсов и препятствует дальнейшему эффективному увеличению их энергии, что является недостатком указанного волоконного лазера.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение энергии импульсов излучения, генерируемых волоконным лазером, и улучшение их качества, связанное с подавлением шумовой составляющей излучения и их структурирования.
Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство волоконного лазера для генерации световых импульсов, содержащее волоконный кольцевой резонатор с суммарной нормальной дисперсией, состоящий из активного и пассивного волокон с их общей длиной более 1 км, а также ответвитель вывода генерируемого излучения, соединенный своим входом с выходом волоконного кольцевого резонатора, и ответвитель ввода излучения накачки, выход которого соединен с входом активного волокна, введены источник периодической импульсной накачки, дополнительный ответвитель, фотодетектор, линия задержки электрического сигнала и блок управления источником периодической импульсной накачки, при этом дополнительный ответвитель своим входом соединен со вторым выходом волоконного кольцевого резонатора и своим выходом соединен с оптическим входом фотодетектора, электрический выход которого соединен с входом линии задержки электрического сигнала, выход которой соединен с входом блока управления источником периодической импульсной накачки, выход которого соединен с входом источника периодической импульсной накачки, оптический выход которого соединен с входом ответвителя ввода излучения накачки.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого волоконного лазера для генерации световых импульсов.
Предлагаемый волоконный лазер для генерации световых импульсов содержит источник периодической импульсной накачки 1, ответвитель ввода излучения накачки 2, активное волокно, активированное ионами редкоземельных металлов, служащее в качестве усилителя 3, пассивное волокно 4, служащее для увеличения длины волоконного резонатора, ответвитель вывода генерируемого излучения из волоконного резонатора 5, дополнительный ответвитель 6 для вывода из резонатора части генерируемого излучения в виде последовательности генерируемых импульсов с целью их дальнейшего использования для управления источником периодической импульсной накачки, фотодетектор 7, линию задержки 8, блок управления источником импульсов накачки 9.
При этом оптический выход источника периодической импульсной накачки 1 соединен с входом ответвителя ввода излучения накачки 2, выход которого соединен с входом в кольцевой волоконный резонатор, образованный активным волокном 3 и пассивным волокном 4, соединенными своими концами друг с другом, причем вход в кольцевой резонатор может реализовываться, например, как вход в активное волокно 3, к выходу волоконного кольцевого резонатора присоединен ответвитель вывода генерируемого излучения 5 и дополнительный ответвитель 6, выход которого соединен с оптическим входом фотодетектора 7, электрический выход фотодетектора 7 соединен с входом линии задержки 8, выход линии задержки 8 соединен с входом блока управления источником периодической импульсной накачки 9, выход которого соединен с входом источника периодической импульсной накачки 1.
Устройство работает следующим образом. Источник периодической импульсной накачки 1 формирует последовательность световых импульсов, с периодом следования, равным обходу генерируемого импульса по волоконному кольцевому резонатору, образованному волокнами 3 и 4. Через ответвитель ввода излучения накачки 2 импульс накачки попадает в активное волокно 3, активированное ионами редкоземельных металлов, например иттербия, и создает инверсную заселенность, приводящую к усилению генерируемого импульса. После прохождения генерируемым импульсом усиливающей среды, из-за снятия инверсии, значение коэффициента усиления значительно уменьшается. В результате при синхронном прохождении импульсов накачки и импульса, генерируемого в волоконном резонаторе, через активную среду возникает периодически повторяющаяся колоколообразная зависимость усиления от времени. Причем усиление оказывается максимальным для центральной части генерируемого импульса, где его интенсивность максимальна, и имеет существенно меньшее значение для крыльев импульса, что приводит к их подавлению. При совпадении периода следования импульсов накачки со временем обхода генерируемого импульса по волоконному кольцевому резонатору возникает, так называемый, механизм синхронизации лазерных мод за счет синхронной накачки, хорошо известный из литературы (О. Звелто, "Принципы лазеров". - СПб.: Издательство «Лань», 720 с., 2008). Такая схема синхронизации лазерных мод работает наиболее эффективно, когда время релаксации инверсии в усиливающей среде меньше или сравнимо по величине со временем обхода импульса по резонатору. Это условие выполняется при использовании достаточно длинного волоконного кольцевого резонатора, требуемая длина которого достигается соответствующим выбором длины пассивного волокна 4. При работе с активными волокнами на основе редкоземельных элементов, имеющих времена релаксации ~0,1 мс, при длине волоконного кольцевого резонатора, определяемой суммарной длиной активного и дополнительного пассивного волокна, ~1÷10 км и более, условия для синхронизации лазерных мод оказываются благоприятными. Для одновременного прохождения генерируемого импульса с импульсами накачки через усиливающую среду требуется совпадение периода следования импульсов накачки со временем обхода генерируемого импульса по волоконному кольцевому резонатору. Это достигается за счет того, что часть генерируемого излучения в виде последовательности световых импульсов через дополнительный ответвитель 6 подается на оптический вход фотодетектора 7. Затем электрический сигнал с выхода фотодетектора 7 в виде последовательности электрических импульсов проходит через линию задержки 8 и подается в блок управления источника периодической импульсной накачки 9, который работает таким образом, что приходящие в него электрические импульсы инициируют формирование в источнике периодической импульсной накачки 1 цуга световых импульсов накачки с требуемым периодом следования и определенной их длительностью. Эта последовательность импульсов накачки через ответвитель 2 подается в активное волокно 3. В такой схеме синхронизации лазерных мод достигается условие совпадения периода следования импульсов накачки со временем обхода генерируемого импульса по волоконному кольцевому резонатору. При этом согласование времен прохождения генерируемого импульса с очередным импульсом накачки через активное волокно 3 для реализации наиболее эффективной синхронизации лазерных мод достигается за счет подбора оптимального времени задержки электрического сигнала в линии задержки 8. В качестве источника периодической импульсной накачки могут быть использованы полупроводниковые лазеры, в которых через диодный переход пропускается ток в виде последовательности импульсов с периодом, равным времени обхода генерируемого импульса по волоконному кольцевому резонатору. В качестве источника периодической импульсной накачки могут быть также использованы твердотельные и волоконные лазеры с периодической модуляцией добротности. В устанавливающемся режиме синхронизации мод время нарастания усиления в активном волокне определяется длительностью импульса накачки, а время спада - длительностью генерируемого импульса. Возникающий, периодически повторяющийся, колоколообразный временной профиль усиления позволяет эффективно формировать импульсы длительностью от десятков пикосекунд до сотен наносекунд и более.
Использование в предлагаемом устройстве источника периодической импульсной накачки, контролируемого системой обратной связи, создаваемой дополнительным ответвителем, фотодетектором, линией задержки электрического сигнала и блоком управления источником периодической импульсной накачки, приводит к созданию усиления в объеме одиночного в лазерном резонаторе генерируемого импульса и отсутствие усиления вне этого объема, что приводит к подавлению появления в лазерном резонаторе новых импульсов, то есть к стабилизации генерации одиночного импульса в лазерном резонаторе, а также приводит к подавлению структурирования генерируемого импульса. Кроме того, подавляется шумовое излучение вне объема формируемого импульса, где усиление практически отсутствует. При подавлении многоимпульсности вся энергия накачки идет на формирование одиночного импульса в лазерном резонаторе, что создает возможности генерации импульсов с существенно более высокой энергией. При этом также улучшается его качество, связанное с подавлением генерации излучения вне объема генерируемого импульса, а также с подавлением его структурирования. Предлагаемый волоконный лазер для генерации световых импульсов имеет преимущество по сравнению с прототипом, в котором для формирования импульсов используются нелинейные потери: использование нелинейных потерь налагает существенные ограничения на интенсивность и энергию генерируемых импульсов, чего не возникает в случае предлагаемого типа волоконных лазеров. В результате устраняется основное ограничение, препятствующее формированию более мощных импульсов с большими энергиями излучения при улучшении их качества (подавление структурирования импульса и шумовой составляющей излучения вне его объема).
Таким образом, посредством использования в волоконном лазере для формирования генерируемых импульсов источника периодической импульсной накачки, контролируемого через систему обратной связи, включающей дополнительный ответвитель, фотодетектор, линию задержки электрического сигнала, блок управления источником периодической импульсной накачки, вместо системы поляризационного контроля, создающей нелинейные потери, используемой в прототипе, достигается подавление многоимпульсной генерации и, как следствие, увеличение энергии генерируемых импульсов. При этом улучшается качество генерируемого импульса, поскольку подавляются его структурирование и генерация шумового излучения вне его объема.