Импульсный волоконный лазер

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам с удвоением частоты, излучающим в видимой области спектра.
Из уровня техники известен импульсный волоконный лазер, включающий импульсный задающий лазер, предусилитель, два каскада усиления, коллимирующее и фокусирующее оптические устройства, полуволновую пластину, нелинейный кристалл, удваивающий частоту входного ИК-лазерного излучения, дихроичное зеркало [US8873134B2, МПК H01S3/067, H01S3/091, опубл. 28.10.2014; WO2013138364A, МПК H01S3/067, опубл. 19.09.2013]. Первый волоконный усилитель выполнен на основе активного оптического волокна с переменным диаметром сердцевины и оболочки, а второй усилитель выполнен в виде твердотельного усилителя с диодной накачкой. Такой лазер излучает в зеленом спектральном диапазоне. Авторы изобретения не уточняют реализацию профиля конической области активного волокна. Наличие двух каскадов усиления приводит к уширению спектральной линии.
Известен волоконный импульсный лазер на основе активных волокон с переменным диаметром сердцевины и оболочки [дисс. на соискание ученой степени к.т.н. «Разработка и исследование высокомощных волоконных импульсных лазеров на основе активных волокон с двойной оболочкой и с переменным диаметром сердцевины», Петров А.Б., Санкт-Петербург, 2021]. Такой импульсный лазер включает задающий лазер с распределенной обратной связью, работающий в режиме модуляции усиления, предусилитель, волоконный усилитель на основе активного волокна, легированного иттербием, с двойной оболочкой и переменным диаметром сердцевины, кристалл трибората лития, удваивающий частоту входного ИК-лазерного излучения, полуволновую пластину, фокусирующее и коллимирующее оптические устройства. Такой лазер излучает в зеленом спектральном диапазоне. В данном источнике известности не уточняется конкретная реализация профиля конической области активного волокна.
Техническая задача заключается в повышении КПД в широком диапазоне выходных мощностей.
Технический результат заключается в повышении коэффициента преобразования ИК-лазерного излучения во вторую гармонику.
Технический результат достигается тем, что импульсный волоконный лазер состоит из задающего лазера, оптического предусилителя, источника накачки, волоконного усилителя на основе активного волокна с переменным диаметром сердцевины и оболочки, полуволновой пластины, фокусирующего и коллимирующего оптических устройств, нелинейного кристалла, дихроичного зеркала, согласно полезной модели часть активного волокна, примыкающая к месту ввода излучения в волоконный усилитель, имеет гиперболически расширяющиеся сердцевину и оболочку, а следующая за ней часть имеет линейно расширяющиеся сердцевину и оболочку, причем соотношение длин частей с гиперболически и линейно возрастающим диаметром составляет 1:4.
На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого волоконного лазера.
Предлагаемый лазер состоит из корпуса, в котором размещены задающий блок, блок усиления и блок генерации второй гармоники.
Задающий блок включает задающий лазер 1, оптически связанный с оптическим предусилителем 2, выполненным на основе оптоволокна, легированного иттербием. В качестве задающего лазера 1 использован полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, излучающий в ИК-диапазоне, в режиме модуляции усиления.
Блок усиления включает волоконный усилитель 3 и источник накачки 4 для него.
Волоконный усилитель выполнен в виде волоконного ИК-лазера на основе легированного иттербием активного волокна с двойной оболочкой с сохранением поляризации. Активное волокно выполнено с переменным диаметром сердцевины и оболочки так, что часть активного волокна, примыкающая к месту ввода излучения в волоконный усилитель, имеет гиперболически расширяющиеся сердцевину и оболочку, а следующая за ней часть имеет линейно расширяющиеся сердцевину и оболочку. При этом соотношение длин частей с гиперболически и линейно возрастающим диаметром составляет 1:4. Соотношение диаметра оболочки к диаметру сердцевины активного волокна остается постоянным.
В качестве источника накачки 4 использован полупроводниковый лазерный диод. Для контроля температуры источника накачки 4 и волоконного усилителя 3 использована система водяного охлаждения. Оптический предусилитель 2 соединен с волоконным усилителем 3 посредством оптического волокна с сохранением поляризации.
Блок генерирования второй гармоники включает последовательно расположенные полуволновую пластину 5, фокусирующую линзу 6, нелинейный кристалл 7, коллимирующую линзу 8, дихроичное зеркало 9. В качестве нелинейного кристалла 7 использован кристалл трибората лития с некритическим синхронизмом первого типа. Нелинейный кристалл требует поддержания температуры на уровне примерно 150°С, для этого он помещен в печь, снабженную системой обратной связи на основе термистора.
Предложенный волоконный лазер работает следующим образом. Импульсное линейно-поляризованное ИК-излучение от задающего лазера 1 по оптическому волокну с сохранением поляризации через оптический предусилитель 2 вводится в волоконный усилитель 3. Излучение источника накачки 4 вводится в усилитель 3 под углом 90° через мультиплексор на основе микрооптики.
Усиленный в волоконном усилителе 3 и предусилителе 2 сигнал по атмосферному каналу передается через полуволновую пластину 5 и фокусируется при помощи фокусирующей линзы 6 в нелинейный кристалл 7, где ИК-излучение преобразуется в зеленое. Затем преобразованное излучение коллимируется с помощью коллимирующей линзы 8. Зеленое излучение отделяется от ИК-излучения при помощи дихроичного зеркала 9.
Поскольку диаметр оболочки и сердцевины активного конического волокна сначала увеличивается гиперболически, а затем возрастает линейно, порог фазовой самомодуляции повышается, за счет чего спектральная линия остается узкой вплоть до больших пиковых значений мощности. Благодаря этому эффективность генерации второй гармоники для импульсов, получаемых с использованием задающего лазера, повышается.
Таким образом, незначительное уширение спектральной линии излучения предлагаемого волоконного лазера в широком диапазоне выходных мощностей позволяет обеспечить высокий коэффициент преобразования ИК-лазерного излучения во вторую гармонику, а значит и высокий КПД в широком диапазоне выходных мощностей.