КОМПАКТНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ЭРБИЕВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД НА ОСНОВЕ СВЕТОВОДА С ВЫСОКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ

Область техники
Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам, генерирующим оптическое излучение на длине волны 1,58 мкм в виде сверхкоротких световых импульсов с большой пиковой мощностью. Лазеры подобного типа обладают высокой энергией лазерного импульса, что является необходимым во многих приложениях лазерной техники, например, таких как обработка материалов, передача данных и для медицинских применений.
Уровень техники
Известно множество устройств, предназначенных для получения генерации на длине волны 1,58 мкм и основанных на принципе синхронизации мод излучения в волоконных лазерах (например, патент РФ на полезную модель №138626, опубл. 20.03.2014; патент РФ на полезную модель №119531, опубл. 20.08.2012; патент РФ на полезную модель №119946, опубл. 27.08.2012; патент РФ на полезную модель №124061, опубл. 10.01.2013; патент РФ на полезную модель №137427, опубл. 10.02.2014; патент РФ на полезную модель №139786, опубл. 20.04.2014).
Например, известен волоконный лазер с синхронизации мод излучения за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения в оптоволокне (патент РФ на полезную модель №138626, опубл. 20.03.2014). Режим синхронизации мод реализуется настройкой контроллеров поляризации оптического излучения, присутствующих в резонаторе волоконного лазера, с контролем стабильности синхронизации мод на выходе лазерного резонатора с помощью радиочастотного анализатора спектра.
Недостатками данного технического решения является то, что пиковая мощность в лазерном импульсе ограничена из-за значительной длины резонатора, необходимой для эффективной селекции ультракоротких импульсов за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения в оптоволокне. Еще одним недостатком подобного решения можно считать громоздкость предложенной лазерной установки из-за необходимости иметь внешний контроль лазерного излучения.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства можно признать волоконный лазер с синхронизацией мод излучения, описанный в работе: J. Boguslawski, J. Sotor, G. Sobon, and K.M. Abramski, "80 fs passively mode-locked Er-doped fiber laser," Laser Physics 25, 065104 (2015). В схеме прототипа волоконный лазер с синхронизацией мод излучения состоит из источника накачки и волоконного кольцевого резонатора с суммарной нормальной дисперсией, близкой к нулю, включающего волоконный модуль спектрального сведения оптического излучения, вход накачки которого соединен с выходом источником накачки, сигнальный выход соединен с активным волоконным световодом, другой конец активного волоконного световода соединен с модулем волоконно-оптического разветвителя, который соединен с контроллером поляризации, который, в свою очередь, соединен с волоконным световодом с нормальной дисперсией и ступенчатым профилем показателя преломления. Другой конец волоконного световода с нормальной дисперсией и ступенчатым профилем показателя преломления соединен с модулем поляризационного изолятора оптического излучения, состоящего из изолятора и волоконного ответвителя оптического излучения с поддержкой поляризации. Поляризационный контроллер оптического излучения обеспечивает запуск режима синхронизации мод излучения и управление параметрами режима синхронизации мод.
Однако в прототипе неконтролируемая настройка контроллера поляризации может приводить к реализации нестабильных режимов генерации, характеризующихся внутриимпульсными флуктуациями интенсивности и фазы светового поля, а также к генерации групп импульсов. Описанные эффекты приводят к уменьшению энергии импульсов и их пиковой мощности.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в получении энергетических характеристик и энергии импульсов, выходящих из лазера, значительно превышающих аналогичные характеристики устройства прототипа.
Указанный технический результат достигается тем, что кольцевой эрбиевый волоконный лазер с синхронизацией мод излучения содержит лазерный диод накачки и волоконный кольцевой резонатор с суммарной нормальной дисперсией близкой к нулю и состоит из спектрально селективного волоконного ответвителя оптического излучения, вход накачки которого соединен с выходом лазерного диода источника накачки, сигнальный вход соединен с волоконно-оптический разветвителем излучения, а выход модуля соединен с активным волоконным световодом, легированным ионами эрбия, с нормальной дисперсией. Другой конец активного волоконного световода соединен с волоконным световодом с нормальной дисперсией, соединенным с контроллером поляризации оптического излучения, который соединен с изолятором-поляризатором оптического излучения, соединенным, в свою очередь, со вторым контролером поляризации излучения, который соединен с волоконным световодом с аномальной дисперсией и ступенчатым профилем показателя преломления, выход которого соединен с волоконно-оптическим разветвителем излучения. При этом в качестве волоконного световода с нормальной дисперсией использован высоконелинейный волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления. Примененный высоконелинейный волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления позволяет компенсировать суммарную дисперсию второго и третьего порядка в резонаторе, повысить энергию и пиковую мощность импульсов на выходе лазера за счет эффективной селекции ультракоротких импульсов на меньшей по сравнению с прототипом длине резонатора и, таким образом, достигнуть компактности предлагаемого устройства. В качестве настраиваемого фильтра ультракоротких импульсов использован компактный изолятор-поляризатор оптического излучения и два контроллера поляризации излучения, установленные с двух сторон от указанного компактного изолятора-поляризатора.
На фиг. 1 изображена структура последовательной цепи элементов предлагаемого компактного кольцевого эрбиевого волоконного лазера.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 изображены: 1 - лазерный диод накачки; 2 - спектрально селективный волоконный ответвитель оптического излучения; 3 - активный волоконный световод, легированный ионами эрбия; 4 - высоконелинейный волоконный световод; 5 - поляризационный контроллер оптического излучения; 6 - изолятор-поляризатор оптического излучения; 7 - поляризационный контроллер оптического излучения; 8 - волоконный световод с аномальной дисперсией; 9 - выход лазера; 10 - волоконно-оптический разветвитель оптического излучения.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Механизм действия нелинейной эволюции поляризации для получения синхронизации мод излучения основан на разнице интенсивностей ортогонально поляризованных компонент излучения и их различного поворота при распространении по волоконному световоду вследствие эффекта Керра.
Ключевым элементом является поляризационный фильтр оптического излучения, который вносит потери, зависящие от интенсивности излучения. В данной схеме в качестве поляризационного фильтра используется изолятор-поляризатор оптического излучения 6, который осуществляет также функцию изолятора для получения однонаправленной генерации импульсов. Два поляризационных контроллера оптического излучения 5 и 7 установлены в кольцевом резонаторе с двух сторон от изолятора-поляризатора 6 и используются для настройки режима генерации волоконного лазера. Накачка активного волоконного световода, легированного ионами эрбия, осуществляется через спектрально селективный волоконный ответвитель оптического излучения 2 лазерным диодом накачки 1 на длине волны 980 нм с одномодовым излучением на выходе с оптической мощностью от 100 мВт до 500 мВт. Выход лазера 9 представляет собой плечо волоконного разветвителя оптического излучения 10. В качестве активного волоконного световода 3 используется волоконный световод, легированный ионами эрбия, с поглощением ~6,5 дБ/м на длине волны накачки и коэффициентом дисперсии, равным -17,4 пс/(нм·км) на длине волны 1550 нм.
2
2
Высоконелинейный волоконный световод 4 представляет собой одномодовый германо-силикатный световод с содержанием оксида германия в сердцевине от 50 до 99 мол. %, коэффициентом дисперсии световода равным от -100 до -800 пс/(нм·км) на длине волны 1,58 мкм и высоким коэффициентом нелинейности γ в диапазоне от 10 до 70 (1/(Вт*км)). Суммарное внутрирезонаторное значение параметра дисперсии групповых скоростей β в схеме лазера составило +0,022 пс при соответствующей подобранной длине волоконного световода с аномальной дисперсией 8 (использовалась марка SMF-28 Corning Corp. световода такого типа).
Предлагаемое устройство за счет применения высоконелинейного волоконного световода в составе лазера позволяет достигнуть компактности устройства и улучшенных по сравнению с прототипом энергетических характеристик импульсов. С одной стороны, компактность лазера достигается за счет сокращения длины резонатора, необходимой для эффективной селекции сверхкоротких импульсов. С другой стороны, удается достичь энергии выходящих из резонатора импульсов до 3 нДж и пиковой мощности до 35 кВт, что до 5 раз превышает аналогичные характеристики работы прототипного устройства по данным прототипного устройства в опубликованной статье.
Таким образом, предлагаемое лазерное устройство может быть использовано в качестве источника сверхкоротких лазерных импульсов с большой пиковой мощностью с центральной длиной волны излучения 1,58 мкм для решения задач прецизионной спектроскопии, метрологии оптических частот и астрофизики.