ПАССИВНО СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ БРИЛЛЮЭНОВСКИЙ ОДНОЧАСТОТНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам, использующим при генерации вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).
Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в оптическом волокне лежит в основе широкого класса волоконных лазеров, известных как Бриллюэновские (G.P.Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 3rd ed. (Academic Press, 2001)).
В последнее время привлекает особое внимание специальный класс одномодовых Бриллюэновских волоконных лазеров с так называемым двойным резонансом в резонаторе (L.F.Stokes, M.Chodorow, and H.J.Shaw, Opt. Lett. 7, 288 (1982)). Эти лазеры демонстрируют низкий порог, высокую спектральную чистоту и низкую интенсивность шума, которые востребованы для различных приложений, таких как когерентная оптическая связь, интерферометрические датчики, когерентная лазерная локация, и микроволновая фотоника. Одночастотное стоксово излучение с низкой пороговой мощностью генерируется в этих лазерах с коротким полностью волоконным кольцевым резонатором, который одновременно является резонатором для накачки и стоксова излучения. Однако, из-за того, что работа лазера с двойным резонансом чрезвычайно чувствительна к расстройке резонанса между частотой накачки и модой кольцевого резонатора, типичный Бриллюэновский волоконный лазер с кольцевым резонатором (Patent US 4780876 Smith et al, Patent US 5323415 Quast et al) характеризуется высокими потерями и низкой стабильностью генерации (S.Molin, G.Baili, M.Alouini, D.Dolfi, and J.-P. Huignard, Opt. Lett. 33, 1681 (2008)).
Для получения установленных режимов известна активная система стабилизации, основанная на пьезо-преобразователе, регулирующем длину резонатора (S.Norcia, S.Tonda-Goldstein, D.Dolfi, J.-P. Huignard, and R.Frey, Opt. Lett. 28, 1888 (2003)). Недостатком этой схемы является то, что выходная частота Бриллюэновского лазера следует за флуктуациями частоты лазера накачки, обладающего гораздо более широким спектром и большими флуктуациями частоты, чем собственно излучение Бриллюэновского лазера. В результате, спектр Бриллюэновского лазера уширяется и может быть даже шире спектра лазера накачки.
Для устранения этого недостатка предложена данная полезная модель.
Основной целью данной полезной модели является реализация схемы одномодового Бриллюэновского волоконного лазера с двойным резонансом с предельно узким спектром выходного сигнала (шириной менее 0,5 кГц).
Технический результат: стабилизация частоты лазера накачки на резонансной частоте кольцевого резонатора.
Технический результат достигается за счет использования эффекта самозахвата частоты в полупроводниковом лазере накачки с распределенной обратной связью.
На фиг 1 показана схема пассивно стабилизированного одночастотного Бриллюэновского волоконного лазера. Бриллюэновский лазер накачивается стандартным лазером с распределенной обратной связью (1) с волоконным выходом и встроенным оптическим изолятором. Выходная мощность лазера накачки, работающего на длине волны около 1534,85 нм, проходит оптический циркулятор (2), усиливается эрбиевым волоконным усилителем (3) до 40 мВт, и, через другой циркулятор (4) вводится в волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо (5), который состоит из волоконных ответвителей (6), (7), контроллера поляризации 8 и содержит отрезок оптического волокна длиной 10 м (9).
В предлагаемой конфигурации интерферометр Фабри-Перо одновременно используется как частотно-селективный элемент для обратной связи с самозахватом частоты и как кольцевой резонатор Бриллюэновкого лазера. Общая длина кольцевого резонатора, сваренного из стандартного телекоммуникационного волокна SMF-28 составляла примерно 17 метров. Оптические изоляторы (10) и (11) предотвращали влияние обратного отражения от конца волокна на работу Бриллюэна лазера. Оптический фильтр (12) с полосой пропускания равной 1 нм отфильтровывает нежелательное спонтанное излучение. Оптический переключатель (13) осуществляет включение/выключение оптической обратной связи, которая устанавливается через ответвитель (14), контроллер поляризации (15) и циркулятор (2) и перезахватывает мощность накачки в лазере с распределенной обратной связью.
Как только частота лазера накачки становится резонансной для Бриллюэновского резонатора, достигается максимальная эффективность ввода накачки в резонатор, приводя к радикальному увеличению мощности, которая циркулирует внутри резонатора. Одновременно мощность, которая проходит в интерферометр Фабри-Перо (5) увеличивается и обеспечивает мощную оптическую обратную связь для самозахвата частоты в лазере накачки (1). Теперь любые медленные изменения резонансной частоты Бриллюэновского лазера вследствие, например, изменений температуры, приводит к соответствующему изменению захваченной частоты лазерного излучения. В результате, лазер накачки (1) с захваченной частотой накачки подстраивает частоту на резонансную частоту Бриллюэновского кольцевого резонатора.
Как известно, самозахват частоты может значительно изменять ширину линии лазера накачки (J.Ohtsubo, Semiconductor Laser. Stability, Instability and Chaos, 2nd ed. (Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 2008)). Для измерения ширины линии лазера накачки в режимах свободной генерации и захвата частоты использован метод гомогетеродинного детектирования с 20 МГц модуляцией сигнала и 15 км волоконной задержкой. На Фиг.2, 3 показаны задержанные гомогетеродинные спектры незахваченного (Фиг.2) и захваченного лазера накачки (Фиг.3) на выходе (16). Для незахваченного лазера, полная ширина линии генерации, аппроксимируемая Лоренцевской кривой по полувысоте составляла 4 МГц. Значительное уменьшение (более чем 1000 раз) ширины линии наблюдалось для захваченного лазера накачки (см. Фиг.3).
При резонансе мощность, которая циркулирует внутри кольцевого резонатора, увеличивается, достигая порога Бриллюэна. При мощности выше порога часть мощности накачки преобразуется в мощность стоксовой волны, распространяющейся внутри кольца во встречном направлении. Генерация стоксового излучения начинается внутри кольцевого резонатора Бриллюэновского лазера, когда мощность на входе в (5) превышает 25 мВт. Основная часть стоксовой мощности направляется на выход (17), и примерно в 10 раз меньше стоксовой мощности поступает также на выход (18). На Фиг.4 приведены оптические спектры Бриллюэновского лазера на выходе (17) с включенной и выключенной оптической обратной связью при входной мощности накачки 40 мВт. С выключенной оптической обратной связью порог Бриллюэна никогда не достигался, и только часть рассеянного сигнала от малой мощности накачки, которая циркулирует внутри волоконного кольцевого резонатора регистрировалась на выходе (17) (см. Фиг.4). Оптическая обратная связь приводила к увеличению мощности накачки внутри волоконного резонатора, и мощное одночастотное излучение на частоте первой стоксовой компоненты регистрировалось на выходах (17) и (18), при этом генерации второй стоксовой компоненты, регистрируемой на выходе (16), не наблюдалось. Выходная стоксова мощность на выходе (17) была около 5 мВт, что соответствует примерно 40% эффективности Бриллюэновского лазера.
При этом, ширина линии генерации стоксовой волны должна быть еще более узкой, чем у накачки (A.Debut, S.Randoux, and J.Zemmouri, Phys. Rev. A 62, 023803 (2000)). Действительно, на Фиг.5 показан задержанный гомогетеродинный спектр стоксовой компоненты Бриллюэновского лазера, который дает двойное значение ширины регистрируемой линии оптического лазерного спектра (D.M.Baney and W.V.Sorin, in: D.Derickson (ed.), Fiber Optic Test and Measurement (Prentice Hall PTR, 1998)). По экспериментальным измерениям эта двойная ширина составляла 1 кГц, что, однако, в точности соответствует разрешающей способности (1 кГц) радиочастотного анализатора спектра, используемого в эксперименте. Следует также отметить, что задержка на длине равной 15 км слишком коротка, для того чтобы получить достаточное некогерентное смешивание, требуемое для метода гомогетеродинного детектирования в случае очень узкополосных сигналов. Для разрешения линии в 0,5 кГц длина волоконной задержки должна превышать 100 км. Однако, ошибка, связанная с короткой волоконной задержкой приводит лишь к наблюдаемым флуктуациям гомогетеродинного спектра и дает завышенную оценку для ширины линии по сравнению с фактической. Таким образом, фактическая ширина линии Бриллюэновского лазера не превышает 500 Гц, но, вероятно, значительно меньше.
Эффективность Бриллюэновского лазера улучшается, когда обеспечивается условие резонанса для стоксовой волны в полосе примерно 10 МГц для всей линии усиления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Обнаружено, что генерация Стоксовой волны зависит от длины резонатора и максимальна при выбранной длине около 17 м. Выбранная 17-м длина резонатора обеспечивает резонанс для накачки и стоксовой частоты одновременно.