ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАТОР ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА DBR

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности, к волоконным лазерам с линейным резонатором в конфигурации DBR (distributed Bragg reflectors - лазеры с распределенными брэгговскими отражателями). Предлагаемое устройство может быть использовано для создания одночастотных высоко-когерентных волоконных лазеров, применяющихся в составе оптических интерферометрических датчиков, в том числе оптоволоконных распределенных датчиков и комплексов PDV (photonic Doppler velocimetry), в системах когерентной оптической связи, когерентных оптических лидарах, системах радиофотоники, когерентной томографии и в других областях, где требуется применение высокостабильного оптического излучения с низким уровнем частотных шумов.
Линейный резонатор волоконных лазеров DBR представляет собой участок активного оптоволокна, легированного редкоземельными химическими элементами и содержащего, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку. Основные характеристики лазерного излучения определяются свойствами резонатора лазера. Для создания высоко-когерентных лазеров, имеющих узкую мгновенную линию излучения, высокую стабильность частоты и низкий уровень частотных шумов, что требуется для вышеперечисленных применений, необходимо, чтобы лазер работал в одночастотном режиме, когда условие генерации выполняется только для одной продольной моды резонатора. Это достигается, с одной стороны, увеличением спектрального расстояния между продольными модами, а с другой стороны - сужением спектральной полосы усиления. Первое условие в волоконных лазерах с линейным резонатором типа DBR обеспечивается за счет уменьшения эффективной длины резонатора до нескольких сантиметров. Второе условие обеспечивается в DBR-лазерах за счет сужения спектра узкополосной решетки «частичный отражатель», которая выступает в качестве модового фильтра, до величин 100 пм и менее.
На характеристики лазерного излучения могут существенно влиять внешние факторы, воздействующие на волоконный резонатор. Это связано с тем, что резонаторы лазеров обладают высокой добротностью, поэтому даже малые внешние воздействия могут снижать когерентные свойства излучения на выходе, а именно, приводить к уширению линии излучения, дрейфу линии излучения, росту спектральной плотности частотных шумов в различных частотных диапазонах. Нежелательными внешними факторами являются и механические воздействия, которые могут повредить достаточно хрупкий волоконный резонатор, поэтому резонатор обычно помещают в отдельный корпус. Кроме механической защиты корпус также может выполнять дополнительные функции для уменьшения влияния других факторов: температурного дрейфа, конвекции воздуха, вибраций, акустических шумов. С другой стороны, корпус резонатора способен предоставлять возможность для температурной перестройки линии излучения и управляемой продольной деформации узкополосной волоконной решетки «частичный отражатель» для активного подавления частотных шумов. В данном патенте предложен метод создания корпусов для волоконных резонаторов, обеспечивающий защиту оптоволокна от внешних факторов и предоставляющий перечисленные функции управления параметрами резонатора.
Одним из нежелательных внешних факторов, негативно влияющих на параметры излучения, является конвекция воздуха в окрестности резонатора, что приводит к флуктуациям температуры волокна резонатора, и, как следствие, к случайным флуктуациям длины резонатора за счет температурного расширения материала волокна, так называемую «тепловую дрожь» резонатора. Эффект проявляется в том, что частота генерации начинает флуктуировать случайным образом. Дрожь частоты вносит вклад в увеличение частотных шумов лазера в широком спектральном диапазоне и проявляется в уширении мгновенной линии излучения. Следовательно, корпус волоконного резонатора должен полностью изолировать резонатор от окружающей воздушной среды.
Еще одним нежелательным фактором для волоконных резонаторов являются внешние вибрации и акустические шумы, передающиеся в резонатор через механический контакт с корпусом. Это может вызывать продольные деформации волокна резонатора, что приводит к увеличению частотных шумов лазера. Отличие от теплового дрожания в том, что вибрации и акустические воздействия могут иметь непредсказуемый спектр, который будет перенесен в спектр частотных шумов лазера. Отсюда следует, что корпус резонатора должен обеспечивать приемлемую вибро- и акустоизоляцию с помощью механической развязки внешних воздействий и оптоволокна резонатора.
Корпус резонатора также должен обеспечивать термостатирование резонатора для подавления температурного дрейфа линии излучения, возникающего, например, из-за изменения температуры резонатора вследствие работы тепловыделяющих компонентов в замкнутом корпусе лазера. Эти факторы могут приводить к значительному температурному расширению оптоволокна резонатора и смещению центральной длины волны отражения волоконной решетки «частичный отражатель». В отличие от температурного дрожания, этот процесс медленный и нестационарный, при этом изменения частоты излучения во много раз больше.
Кроме того, корпус резонатора можно использовать для управления параметрами излучения. В первую очередь, это возможность управления температурой резонатора. Изменение температуры приводит к управляемому сдвигу линии излучения в диапазоне примерно 1 нм за счет смещения центральной длины волны узкополосной волоконной решетки «частичный отражатель». Функция термоконтроля может быть реализована совместно с функцией термостатирования и теми же средствами.
Для некоторых приложений лазера необходимо, чтобы корпус резонатора обеспечивал быструю управляемую перестройку линии излучения в небольших пределах, что может использоваться для создания модуляции частоты излучения лазера или в схемах активного оптоэлектронного подавления частотных шумов лазера, как предложено в патенте US 8619824, опубл. 31 12.2013 г., приоритет СА от 2.09.2011 г., или в патенте US 10340657, опубл. 2.07.2019 г., приоритет DK 23.05.2017. Система подавления частотных шумов лазера требует наличия некоторого оптического частотного дискриминатора, например, эталонного узкополосного оптического фильтра или интерферометра, позволяющего преобразовать вариации частоты излучения лазера в вариацию мощности света на входе контрольного фотоприемника. Тогда с помощью цепи отрицательной обратной связи можно изменять частоту излучения в обратную сторону и компенсировать, таким образом, частотный шум. Уменьшение частотных шумов лазера за счет активного шумоподавления позволяет увеличить когерентность излучения и, следовательно, потребительские свойства лазера.
Изменять частоту излучения волоконного лазера с линейным резонатором можно различными способами, но один из самых простых и недорогих - это применение пьезокерамического преобразователя, вносящего управляемые продольные деформации оптоволокна в резонаторе. При этом оптоволокно и пьезокерамический преобразователь должны иметь жесткую механическую связь. Для лазеров DBR управляемую деформацию достаточно прилагать только к узкополосной решетке «частичный отражатель».
В патенте на изобретение US 6603779, опубл. 5.08.2003. приоритет DK от 5.12.2002 г. предложена конструкция линейного резонатора волоконного лазера. Оптоволокно встроено в упругий композитный материал, матрица которого представляет собой резину, а армирующее наполнение представлено в виде углеродных волокон, имеющих отрицательный температурный коэффициент. Отрицательный температурный коэффициент необходим для компенсации температурного расширения материала оптического волокна, который имеет положительный знак. Волоконный резонатор помещен в пластиковую трубку, которая жестко прикреплена к композитному упругому материалу. В трубку залита вязкая жидкость или гель для обеспечения дополнительного виброгашения и уменьшения локальных колебаний температуры. Трубка герметично запечатана.
Основным недостатком решения, описанного в данном патенте, является невозможность управления температурой волоконного резонатора и управления деформациями оптоволокна с помощью пьезокерамического преобразователя. Конструкция полностью пассивная и не допускает применения активных компонентов, используемых для автоподстройки или активного шумоподавления.
Наиболее близким решением к предлагаемой конструкции является устройство по патенту на изобретение US 7133583, опубл. 7.11.2006 г. В патенте предложена конструкция корпуса резонатора волоконного DFB лазера, который обеспечивает физическую защиту резонатора, управление его температурой, продольной деформацией, изоляцию от внешних факторов, таких как акустические шумы и вибрации. Для этого в качестве внешнего корпуса использована пьезокерамическя трубка. Вдоль оси трубки расположен волоконный резонатор так, чтобы пи-сдвинутая решетка, нанесенная на активном оптическом волокне, находилась полностью внутри трубки. Трубка заполнена вязкой жидкостью для устранения конвекции воздуха вблизи резонатора, а также для виброгашения. Оптическое волокно прикреплено к жестким герметичным заглушкам с обоих концов трубки. Вся конструкция установлена на термоэлектрический элемент для управления температурой.
Данная конструкция корпуса для волоконного резонатора не подходит для лазеров типа DBR. Для таких лазеров необходимо прикладывать механические деформации только к узкополосной брэгговской решетке "частичный отражатель», но в то же время необходимо защищать от вибраций и конвекции весь резонатор, который, как минимум вдвое длиннее, чем длина этой решетки. Следовательно, конструкция корпуса, основой которого является цилиндрический пьезокерамический преобразователь, уже не является оптимальной, поскольку создаваемые таким преобразователем изменения геометрических размеров волокна делятся между отрезком активного волокна DBR лазера и решеткой «частичный отражатель» пропорционально длине этих участков. Это приводит к тому, что эффективно используется только часть механической энергии преобразователя, а значит, к сокращению потенциального диапазона изменения деформаций решетки. Чем больше размеры пьезокерамического преобразователя, тем ниже его резонансная частота и уже полоса частот системы автоматического подавления частотных шумов. С этой точки зрения нерационально увеличивать размеры преобразователя, больше, чем необходимо, т.е. он должен иметь длину чуть большую, чем длина волоконной решетки, деформацией которой он управляет. В патенте US 7133583, пьезокерамический преобразователь является также корпусом для резонатора, который для DBR-лазеров включает кроме управляемой решетки еще и отрезок активного волокна и «глухое зеркало». Использование составных пьезокерамических преобразователей из объединения нескольких коротких, как предложено в патенте, существенно усложняет создание корпуса. Также в прототипе заложено техническое противоречие: для лучшего вибродемпфирования следует увеличить корпус, чтобы между оптоволокном и стенками корпуса находилось больше вибродемфирующей жидкости, но с другой стороны, увеличение корпуса приводит к пропорциональному снижению как эффективности создания продольных деформаций волоконной решетки «частичный отражатель», так и уменьшению полосы частот управляющего воздействия с помощью деформации. Далее, предложенная в патенте форма корпуса резонатора в виде трубки не оптимальна для обеспечения механического контакта с плоским термоэлектрическим элементом для управления температурой волоконного резонатора.
Следующий недостаток прототипа заключается в передаче вибраций от внешних воздействий к волоконному резонатору через непосредственный механический контакт волокна и стенок корпуса, т.е. пьезокерамического преобразователя. На практике, для того, чтобы передаточная функция пьезокерамического преобразователя как модулятора продольной деформации волокна была линейной, необходимо создать начальное натяжение волокна при соединении волокна и преобразователя. При этом механический контакт в месте соединения должен быть жестким для эффективной передачи деформации от преобразователя к волокну. Поскольку в прототипе механические контакты осуществляются на торцах пьезокерамической трубки, то внешние вибрации и акустические шумы, воздействующие на корпус резонатора, будут точно также передаваться волоконному резонатору, как и управляющие воздействия, т.е. непосредственно через механические контакты на торцах. Следовательно, предложенная в прототипе конструкция незначительно уменьшает влияние внешних вибраций даже несмотря на погружение волоконного резонатора в вибродемпфирующую жидкость.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение стабильности излучения лазера за счет улучшения защиты резонатора от внешних механических воздействий, конвекции воздуха, вибраций и акустических шумов, изменения температуры окружающей среды, а также возможности управления перестройкой линии излучения с помощью термоконтроля резонатора.
Для достижения заявленного технического результата в линейном резонаторе волоконного лазера DBR, содержащем заполненный вязкой жидкостью корпус, внутри корпуса размещен пьезокерамический преобразователь и оптоволокно, внесены изменения в конструкцию корпуса резонатора. Корпус выполнен в форме параллелепипеда из твердого материала с высокой теплопроводностью, между корпусом и пьезокерамическим преобразователем размещен сэндвич из не менее одного слоя вибродемпфирующего материала, пьезокерамический преобразователь жестко соединен с находящимся под натяжением отрезком оптоволокна с узкополосной брэгговской решеткой, а свободный без натяжения участок стекловолокна зафиксирован в отверстиях корпуса.
Кроме того, в качестве теплопроводного материала корпуса использованы латунь или алюминий, в качестве вязкой жидкости внутри корпуса использованы машинное масло, битум или силиконовый гель, а в качестве вибродемпфирующего материала слоев сэндвича использованы материалы из ряда: сорботан, виброизол, губчатая резина, поролон, пенополиэтилен, полинорборнен, пенополивинилхлорид.
Пьезокерамический преобразователь выполнен в виде прямоугольной пластинки, а для соединения слоев сэндвича, а также пьезопреобразователя с оптоволокном и оптоволокна с отверстиями в корпусе использован эпоксидный клей.
Выполнение корпуса в форме параллелепипеда из материала с высокой теплопроводностью позволяет значительно улучшить теплообмен между корпусом и внешним термоэлектрическим элементом, у которого контактирующая грань, как правило, имеет прямоугольную форму, тем самым повысить по сравнению с прототипом эффективность термостатирования и температурный контроль. Это позволяет быстрее достигать температурного равновесия резонатора, обеспечивает более эффективный контакт с плоской поверхностью термостатирующего элемента, что улучшает управление работой лазера.
Пьезокерамический преобразователь отделен от контакта с корпусом сэндвичем из одного или нескольких слоев вибродемпфирующего материала, что обеспечивает защиту лазера от внешних воздействий.
Пьезокерамический преобразователь воздействует только на участок волокна с нанесенной на нем брэгговской решеткой «частичный отражатель» (участок, жестко прикрепленный к преобразователю), что позволяет эффективно использовать энергию, подводимую к преобразователю, преобразуя в энергию деформации отрезка волокна с брэгговской решеткой, т.е. увеличить линейный участок передаточной характеристики такой механической системы. Геометрические размеры преобразователя незначительно превышают размеры отрезка волокна с брэгговской решеткой, поэтому резонансная частота преобразователя выше, чем у прототипа. Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет расширить равномерный участок амплитудно-частотной характеристики механической системы, состоящей из пьезокерамического преобразователя и отрезка волокна с брэгговской решеткой. Это приводит к расширению полосы частот системы активного подавления частотных шумов лазера.
Вибрации волокна в резонаторе, вызывающие увеличение уровня частотных шумов излучения и создаваемые внешними вибрациями, которые передаются через контактирующее с корпусом подводящее волокно, в данном случае будут существенно ослаблены вибродемпфирующей жидкостью внутри корпуса и тем фактом, что волокно не натянуто между торцами корпуса.
В предлагаемом устройстве размеры корпуса не определяют свойства пьезокерамического преобразователя, поэтому объем вибродемпфирующей жидкости может быть увеличен по сравнению с прототипом, что позволяет улучшить подавление внешних вибраций и акустических шумов.
Все достигнутые преимущества позволяют существенно снизить уровень частотных шумов и тем самым стабилизировать излучение лазера.
Предлагаемая конструкция резонатора показана на фиг. 1, на которой схематически изображен разрез корпуса резонатора волоконного лазера DBR.
Корпус резонатора состоит из металлической оболочки 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью (например, латунь, алюминий). Корпус имеет крышку 2, плотно прилегающую к стенкам. С одной из стенок оболочки контактирует плоский термоэлектрический элемент 3, с помощью которого осуществляется термостатирование и термоконтроль резонатора. Корпус резонатора заполнен вибродемпфирующей жидкостью или гелем 4 (например, машинное масло, битум, силиконовый гель). В оболочке корпуса выполнены сквозные отверстия 5 для заведения в корпус оптического волокна 6 и электрических проводов 7, предназначенных для подведения электрического напряжения на обкладки пьезокерамического преобразователя 8, имеющего вид прямоугольной пластинки. После заполнения корпуса вибродемпфирующей жидкостью отверстия герметизируют, например, с помощью герметика 9. Жесткая механическая связь участка оптического волокна с нанесенной узкополосной брэгговской решеткой и пьезокерамического преобразователя обеспечена посредством клеевых соединений 10, например, эпоксидного клея. При этом участок оптического волокна между этими клеевыми соединениями имеет начальное натяжение. На других участках волокна, входящих в резонатор, натяжение отсутствует. Непосредственный механический контакт между пьезокерамическим преобразователем и оболочкой корпуса отсутствует.
К крышке корпуса приклеен сэндвич из одного или нескольких слоев твердых вибродемпфирующих материалов 11, таких как сорботан, виброизол, губчатая резина, поролон, пенополиэтилен, полинорборнен, пенополивинилхлорид. Соединения между слоями этих материалов, между крышкой и верхним слоем, между нижним слоем и пьезокерамическим преобразователем выполнены с помощью клея.
Устройство работает следующим образом.
Термоэлектрический элемент создает термодинамическое равновесие внутри корпуса резонатора, что позволяет подавить температурный дрейф линии излучения лазера. При достижении термодинамического равновесия температура волоконного резонатора определяется температурой термоэлектрического элемента, что позволяет управлять линией излучения в диапазоне около 1 нм с помощью изменения тока питания термоэлектрического элемента. Внешние вибрации и акустические шумы гасятся в вибродемпфирующей жидкости, заполняющей корпус. Передача вибраций от стенок корпуса к резонатору затруднена, т.к. через стенки корпуса пропущено подводящее волокно, не являющееся частью резонатора. Конвекция в такой жидкости также затруднена по сравнению с воздушной средой. Поскольку волокно внутри корпуса не имеет натяжения (кроме короткого участка, изолированного от контакта со стенками корпуса), то вибрации, передающиеся через стенки к волокну внутри корпуса, быстро затухают. Пьезокерамический преобразователь вносит управляемые продольные деформации участка волокна с узкополосной брэгговской решеткой «частичный отражатель»; между ним и участком волокна существует жесткая механическая связь за счет клеевых соединений. При этом пьезокерамический преобразователь связан с оболочкой корпуса через слои вибродемпфирующих материалов различного типа. Несколько слоев материалов различного типа предпочтительнее использовать, чем слой одного типа, для улучшения вибродемпфирующих свойств такой механической развязки.
Таким образом, предлагаемое конструктивное решение резонатора позволило добиться существенного устранения недостатков, влияющих на стабильность работы волоконного лазера, тем самым улучшить потребительские качества изделия.