ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР, ИМЕЮЩИЙ ПРЕВОСХОДНУЮ СТОЙКОСТЬ К ОТРАЖЕННОМУ СВЕТУ
FIBRE LASER HAVING EXCELLENT REFLECTED LIGHT RESISTANCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к волоконному лазеру, построенному по схеме "задающий генератор - усилитель мощности" (MO-PA, далее ЗГ-УМ), и, в частности, к волоконному лазеру, имеющему превосходную стойкость к отраженному свету в импульсном световом излучении на выходе.
По данной заявке испрашивается приоритет заявки на патент Японии № 2007-169042 с датой подачи 27 июня 2007, содержание которой включено сюда путем ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
За последние годы в результате прогресса в разработке волоконных лазеров с высокой выходной мощностью, волоконные лазеры начали использовать во множестве областей техники, таких как, например, обрабатывающее оборудование, медицинское оборудование, измерительные приборы и т.п. В частности, в области техники обработки материалов, поскольку волоконные лазеры обеспечивают превосходные возможности фокусировки света по сравнению с другими лазерами и позволяют получать очень малое пятно луча, имеющее большую плотность мощности, то они позволяют выполнять высокоточную обработку. Кроме того, они также позволяют выполнять бесконтактную обработку и обработку твердых веществ, которые способны поглощать лазерное излучение, в результате чего быстро расширяется использование этих волоконных лазеров.
Волоконные лазеры с импульсным выходным излучением обычно имеют конструкцию "задающий генератор - усилитель мощности" (ЗГ-УМ), в которой задающий генератор (ЗГ: задающий генератор) излучает импульсное световое излучение сравнительно низкой мощности, и это импульсное световое излучение затем усиливают до желательной выходной мощности волоконно-оптическим усилителем (УМ: усилитель мощности). Структурная схема волоконного лазера типа ЗГ-УМ с высокой выходной мощностью показана на Фиг. 1. Когда невозможно усилить импульсное световое излучение до желательной выходной мощности с использованием одного усилителя мощности, то в некоторых случаях используют множество последовательно соединенных усилителей мощности.
Однако оптический волоконно-оптический лазер типа ЗГ-УМ, и, в особенности, волоконный лазер с высокой выходной мощностью, имеющий выходную мощность 10 Вт или более, имеет недостаток, заключающийся в том, что его легко повреждает отраженный свет. Например, при выполнении обработки с использованием волоконного лазера имеют место случаи, когда выходное лазерное излучение из волоконного лазера отражается поверхностью обрабатываемого объекта, и часть этого лазерного излучения возвращается в волоконный лазер. Хотя этот отраженный свет является слабым, он усиливается при его прохождении через УМ в направлении ЗГ, вследствие чего его мощность увеличивается, и имеют место случаи, когда происходит повреждение оптических элементов, из которых состоит ЗГ, и оптических элементов, расположенных между ЗГ и УМ.
Кроме того, импульсное световое излучение становится усиленным в УМ, и в течение промежутка времени до тех пор, пока следующий импульс светового излучения не будет излучен в УМ, из оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, которое используется в УМ, выходит свет, представляющий собой усиленное спонтанное излучение (ASE, далее - УСИ). Когда этот свет отражается обрабатываемым объектом и становится снова излученным в УМ, имеют место случаи, когда возникает генерация паразитных колебаний. Если возникает генерация паразитных колебаний, то происходит излучение импульсного светового излучения с чрезвычайно высокой амплитудой из УМ в направлении ЗГ, и имеют место случаи, когда это импульсное световое излучение повреждает оптические элементы, из которых состоит ЗГ, и оптические элементы, расположенные между ЗГ и УМ.
Как раскрыто, например, в патентном документе 1, было рассмотрено использование устройства развязки для защиты оптических элементов ЗГ и оптических элементов, расположенных между ЗГ и УМ, от отраженного света. В этом документе предложено использование устройства развязки в усилителе мощности, используемом для оптической связи, для предотвращения прохождения усиленного спонтанного излучения (УСИ), излучаемого из усилителя мощности последней ступени, которое облучает усилитель мощности предыдущей ступени. Таким же самым образом возможно предотвратить облучение отраженным светом оптических элементов, расположенных в ЗГ и между ЗГ и УМ, в волоконном лазере путем создания устройства развязки непосредственно перед УМ.
[Патентный документ 1] - патент Японии № 2619096
[Патентный документ 2] - нерассмотренная заявка на патент Японии, публикация № 2002-296630
[Патентный документ 3] - патент США (USP) № 5864644
Fabrication and characterization of an all-solid 2D photonic bandgap fiber with a low-loss region (<20 dB/km) around 1550 nm
[Документ 1, не являющийся патентом] - “”, G. Bouwmans, OPTICS EXPRESS 17, Vol. 13, No. 21, 2005, pp 8452 - 8459
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, КОТОРЫЕ РЕШАЕТ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Однако, как раскрыто в патентном документе 1, даже в том случае, если используется устройство развязки, это устройство развязки функционирует нормально только тогда, когда выходная мощность волоконного лазера не превышает нескольких сотен милливатт (мВт), что является сравнительно низкой мощностью. Несмотря на то что серийно выпускаются устройства развязки, которые могут быть использованы до мощности, приблизительно, несколько ватт (Вт), они являются чрезвычайно дорогостоящими.
Кроме того, потери, вносимые устройством развязки, в значительной степени зависят от устройства поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея, которое является одним из составных элементов устройства развязки. Однако для устройства поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея может использоваться только лишь ограниченное число материалов, и во многих случаях трудно получить устройство развязки, имеющее низкие потери в желательном диапазоне длин волн. В частности, когда устройство развязки используют в месте, через которое проходит лазерное излучение мощностью несколько ватт (Вт) или более, даже если имеют место только лишь небольшие потери (потери устройства поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея обычно составляют, приблизительно, 0,5 децибела (дБ)), происходит генерация теплоты вследствие этих потерь, что приводит к повреждениям.
Кроме того, может происходить генерация паразитных колебаний на любой длине волны в области длин волн флуоресценции (в области длин волн, приблизительно, 100 нанометров (нм)) оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, которое используют в УМ, однако, достаточно сильная развязка может быть получена от устройства развязки в области длин волн, приблизительно, 10 нм, в то время как вне этой области длин волн развязка является слабой, и имеют место случаи, когда невозможно предотвратить возникновение паразитных колебаний.
Настоящее изобретение было задумано с учетом описанных выше обстоятельств, и его задачей является создание импульсного волоконного лазера типа ЗГ-УМ с высокой выходной мощностью, в котором может быть предотвращено повреждение волоконного лазера от отраженного света без необходимости использования дорогостоящих оптических элементов.
СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
Для достижения описанной выше задачи изобретения в настоящем изобретении предложен волоконный лазер типа ЗГ-УМ (задающий генератор - усилитель мощности), содержащий: задающий генератор; и первый усилитель мощности, в котором в качестве усиливающей среды используют оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами, которое соединено с последней ступенью задающего генератора, при этом волоконный лазер типа ЗГ-УМ содержит узел преобразования длины волны, расположенный между задающим генератором и усилителем мощности, и содержит первый фильтр для фильтрации по длинам волн, который расположен между узлом преобразования длины волны и задающим генератором и который пропускает только компоненты с длиной волны импульсного светового излучения, излученного из задающего генератора.
В волоконном лазере из настоящего изобретения предусмотрен второй фильтр для фильтрации по длинам волн, который предпочтительно расположен между узлом преобразования длины волны и усилителем мощности, и этот второй фильтр для фильтрации по длинам волн пропускает только длину волны импульсного светового излучения, которое было излучено из задающего генератора, а затем было подвергнуто преобразованию длины волны в узле преобразования длины волны.
В волоконном лазере из настоящего изобретения узел преобразования длины волны предпочтительно преобразовывает длину волны импульсного светового излучения, излученного из задающего генератора, в длину волны, которую способен усиливать первый усилитель мощности. В волоконном лазере из настоящего изобретения узлом преобразования длины волны предпочтительно является волокно, преобразующее длину волны, которое создает вынужденное рамановское (комбинационное) рассеяние.
В волоконном лазере из настоящего изобретения волокном, преобразующим длину волны, предпочтительно является волокно с фотонной запрещенной зоной.
В волоконном лазере из настоящего изобретения узлом преобразования длины волны предпочтительно является второй усилитель мощности.
Кроме того, в этом волоконном лазере предпочтительно предусмотрено наличие источника затравочного света, способствующего преобразованию длины волны и являющегося синхронизированным с задающим генератором, причем этот источник затравочного света предпочтительно излучает свет, имеющий ту же самую длину волны, что и длина волны импульсного светового излучения, которое было излучено из задающего генератора и было затем подвергнуто преобразованию длины волны во втором узле преобразования длины волны, и этот свет предпочтительно излучают во второй усилитель мощности с того же самого направления, что и направление импульсного светового излучения, излученного из задающего генератора.
ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поскольку волоконный лазер из настоящего изобретения имеет конструкцию, в которой предусмотрено наличие узла преобразования длины волны, расположенного между задающим генератором (ЗГ) и усилителем мощности (УМ), и в которой предусмотрено наличие фильтра для фильтрации по длинам волн, который расположен между узлом преобразования длины волны и задающим генератором и который пропускает только компоненты с длиной волны импульсного светового излучения, излученного из задающего генератора, так как длина волны импульсного светового излучения, излученного из задающего генератора, отличается от длины волны импульсов отраженного света, то возможно защитить элементы от импульсов отраженного света без использования устройства развязки, но с использованием фильтра для фильтрации по длинам волн, например, полосового фильтра, или аналогичного устройства, расположенного впереди и позади преобразователя длины волны.
Кроме того, поскольку отсутствует необходимость в использовании чрезвычайно дорогостоящего устройства развязки, то стоимость волоконного лазера может быть снижена.
Кроме того, поскольку при преобразовании длины волны используется рамановское (комбинационное) рассеяние, то преобразование длины волны может быть выполнено вне зависимости от длины волны импульсного светового излучения, излученного из задающего генератора.
Кроме того, поскольку имеется возможность увеличения мощности импульсного светового излучения, излучаемого в УМ, за счет использования усилителя мощности для преобразования длины волны, то для получения желательной выходной мощности необходима лишь небольшая величина мощности накачки, и стоимость волоконного лазера может быть снижена.
Кроме того, поскольку имеется возможность увеличения мощности импульсного светового излучения, излучаемого в УМ, за счет использования усилителя мощности для преобразования длины волны, то для получения желательной выходной мощности необходима лишь небольшая величина мощности накачки, и может быть обеспечено подавление паразитных колебаний в УМ. В результате, может быть повышена надежность волоконного лазера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 изображена структурная схема, на которой показан пример базовой структуры волоконного лазера типа ЗГ-УМ.
На Фиг.2 изображена структурная схема, на которой показан вариант осуществления волоконного лазера из настоящего изобретения.
На Фиг.3 изображена структурная схема, на которой показан пример структуры ЗГ в волоконном лазере из настоящего изобретения.
На Фиг.4 изображена структурная схема, на которой показан пример структуры УМ в волоконном лазере из настоящего изобретения.
На Фиг.5 показан спектр длин волн импульсного светового излучения, излученного из ЗГ волоконного лазера, изготовленного в примере № 1.
На Фиг.6 показан спектр длин волн импульсного светового излучения, подвергнутого преобразованию длины волны в примере № 1.
На Фиг.7 показан спектр длин волн света, подвергнутого преобразованию длины волны и прошедшего через фильтр для фильтрации по длинам волн, в примере № 1.
На Фиг.8 проиллюстрированы изменения формы импульса во время преобразования длины волны в примере № 1.
На Фиг.9 показана форма импульса после преобразования длины волны в примере № 1.
На Фиг.10 изображена диаграмма, на которой показаны результаты измерений средней мощности импульсов отраженного света, возвращающихся из УМ в ЗГ, и мощности импульсов отраженного света, которые прошли через первый фильтр для фильтрации по длинам волн и вошли в ЗГ.
На Фиг.11 на виде в поперечном разрезе показано волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF), преобразующее длину волны, которое использовано в примере № 2.
На Фиг.12 показан профиль распределения показателя преломления в радиальном направлении волокна с фотонной запрещенной зоной (PBGF), преобразующего длину волны, которое использовано в примере № 2.
На Фиг.13 показан спектр длин волн излучения на выходе волокна с фотонной запрещенной зоной (PBGF), которое использовано в качестве преобразователя длины волны в примере № 2.
На Фиг.14 показана структура волоконного лазера, изготовленного в примере № 3.
На Фиг.15 показан спектр длин волн выходного излучения волоконного лазера, изготовленного в примере № 3.
На Фиг.16 показан спектр длин волн выходного излучения волоконного лазера, изготовленного в примере № 4.
ОПИСАНИЕ НОМЕРОВ ПОЗИЦИЙ НА ЧЕРТЕЖАХ
100 - волоконный лазер,
110 - ЗГ (задающий генератор),
120 - УМ (усилитель мощности),
130 - преобразователь длины волны,
140 - первый фильтр для фильтрации по длинам волн,
150 - второй фильтр для фильтрации по длинам волн,
111 - источник света накачки,
112 - ответвитель с разделением по длине волны (WDM-ответвитель),
113 - оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами,
114 - устройство развязки,
115 - выходной ответвитель,
117 - полосовой фильтр,
118 - оптический переключатель,
121 - источник света накачки,
122 - порт сигнала,
123 - оптрон,
124 - порт излучения,
125 - волокно с двойной оболочкой, легированное редкоземельными элементами,
500 - волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF),
501 - область с низким показателем преломления,
502 - участок с высоким показателем преломления
НАИЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь будет приведено описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи.
На Фиг.2 изображена структурная схема, на которой показан вариант осуществления волоконного лазера из настоящего изобретения. Волоконный лазер 100 из данного варианта осуществления изобретения сформирован путем размещения преобразователя 130 длины волны между задающим генератором 110 (который ниже именуют как ЗГ) и усилителем мощности 120 (который ниже именуют как УМ), путем размещения первого фильтра 140 для фильтрации по длинам волн между ЗГ 110 и преобразователем 130 длины волны, и путем размещения второго фильтра 150 для фильтрации по длинам волн между преобразователем 130 длины волны и УМ 120. Первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн, преобразователь 130 длины волны и второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн, которые расположены между ЗГ и УМ, выполняют описанные ниже операции, когда импульсное световое излучение, излученное из ЗГ 110, проходит через них к УМ 120.
Импульсное световое излучение, излученное из ЗГ 110, проходит через первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн и входит в преобразователь 130 длины волны. Преобразователь 130 длины волны выполняет преобразование длины волны входного импульсного светового излучения. Длина волны после этого преобразования находится в пределах усиливаемого диапазона длин волн УМ 120, вследствие чего это излучение может быть усилено посредством УМ 120 до желательной выходной мощности. Во второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн поступает импульсное световое излучение, длина волны которого была преобразована преобразователем 130 длины волны, и он не пропускает те его компоненты, длина волны которых не была преобразована преобразователем 130 длины волны. Таким образом, импульсное световое излучение, которое прошло через второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн, усиливают посредством УМ 120 до желательной выходной мощности, а затем выводят.
Первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн, преобразователь 130 длины волны и второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн также выполняют описанные ниже операции с отраженным светом. Когда лазерное излучение, которое уже было выведено, снова излучается в УМ 120 вследствие его отражения внешними объектами и т.п., то даже в случае наличия лишь очень малого количества отраженного света, он становится усиленным при его прохождении через УМ 120, вследствие чего он превращается в импульсы с высокой интенсивностью и попадает на второй фильтр 150. Поскольку импульсы отраженного света, попавшие на второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн, имеют ту же самую длину волны, что и импульсы, излученные в УМ 120 из преобразователя 130 длины волны, то они способны проходить далее, не будучи заблокированными вторым фильтром 150 для фильтрации по длинам волн, и входить в преобразователь 130 длины волны. Действительно происходит излучение импульсов отраженного света, проходящих через преобразователь 130 длины волны, в первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн, однако, поскольку длина волны импульсов отраженного света является длиной волны, отличной от длины волны импульсного светового излучения, первоначально излученного из ЗГ 110, то первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн не пропускает их. Как описано выше, поскольку имеется возможность не допустить попадания импульсов отраженного света в ЗГ 110 без использования устройства развязки, то возможно предотвратить повреждение элементов в ЗГ 110 отраженным светом.
Ниже приведено описание конкретных примеров.
Пример № 1
ЗГ 110 представляет собой лазерный генератор, и в данном примере в качестве ЗГ 110 использован волоконный кольцевой лазер. Как показано на Фиг.3, этот волоконный кольцевой лазер сформирован из источника 111 светового излучения накачки, ответвителя 112 с разделением по длине волны (WDM-ответвителя), который связывает световое излучение накачки с лазерным излучением, оптического волокна 113, легированного редкоземельными элементами, которое служит усиливающей средой, устройства 114 развязки, полосового фильтра 117, оптического переключателя 118 и выходного ответвителя 115. Свет накачки, излучаемый из источника 111 светового излучения накачки, излучается в оптическое волокно 113, легированное редкоземельными элементами, через WDM-ответвитель 112. Световое излучение накачки, излученное в оптическое волокно 113, легированное редкоземельными элементами, поглощается ионами редкоземельных элементов, которыми была легирована сердцевина оптического волокна 113, легированного редкоземельными элементами, вследствие чего ионы редкоземельных элементов переходят в возбужденное состояние. Ионы редкоземельных элементов, которые находятся в возбужденном состоянии, излучают спонтанное световое излучение конкретной длины волны. Это спонтанное световое излучение проходит через внутреннюю часть оптического волокна 113, легированного редкоземельными элементами, при этом происходит его усиление, и выводится как усиленное спонтанное излучение (ASE? далее - УСИ). WDM-ответвитель 112, оптическое волокно 113, легированное редкоземельными элементами, устройство 114 развязки, выходной ответвитель 115, полосовой фильтр 117 и оптический переключатель 118 соединены в виде кольца, и УСИ с длиной волны в полосе пропускания полосового фильтра 117 проходит по кругу через эти элементы и снова усиливается оптическим волокном 113, легированным редкоземельными элементами. В конечном счете, происходит генерация лазерного излучения, и часть его выводится как лазерное излучение через выходной ответвитель 115. Элемент 117, представляющий собой оптический переключатель, если он оставлен в состоянии с низким уровнем потерь, обычно обеспечивает непрерывное излучение, и выходное излучение лазера выводится в виде непрерывного светового излучения. Если элемент 117, представляющий собой оптический переключатель, выполнен таким образом, что циклически переключается между состоянием с низким уровнем потерь и состоянием с высоким уровнем потерь, то излучается импульсное световое излучение, и на выходе лазера может быть получено импульсное излучение.
В данном примере оптическое волокно 113, легированное редкоземельными элементами, задающего генератора (ЗГ) 110 сформировано путем легирования сердцевины, имеющей диаметр сердцевины 4 микрона (мкм), ионами иттербия (Yb) для того, чтобы сформировать оптическое волокно, имеющее коэффициент поглощения 500 дБ/м на длине волны 976 нм. Используемый источник светового излучения накачки генерирует световое излучение с длиной волны 976 нм для возбуждения ионов иттербия (Yb), которыми была легирована сердцевина оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, при этом в качестве элемента, представляющего собой оптический переключатель, используется акустооптический модулятор (AOM). Когда источник светового излучения накачки был приведен в действие таким образом, что была получена выходная мощность, равная 500 мВт, и AOM работал в частоте 20 кГц, в качестве выходного излучения ЗГ было получено импульсное выходное излучение с длительностью импульса 50 наносекунд (нс) и мощностью в максимуме, приблизительно, 70 Вт.
Вместо волоконного кольцевого лазера этого типа в качестве ЗГ 110 также возможно использовать комбинацию, например, их волоконного лазера тип Фабри-Перо, в котором зеркало резонатора расположено на обоих торцах оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, или полупроводникового лазера с внешним модулятором, на выходе которого получают непрерывное световое излучение.
В отличие от описанного выше, в качестве УМ 120 используют УМ, имеющий, например, такую структуру, которая показана на Фиг.4.
Этот УМ 120 сформирован из источника 121 светового излучения накачки, оптического ответвителя 123, волокна 125 с двойной оболочкой, легированного редкоземельными элементами, и источника 121 светового излучения накачки. Оптический ответвитель 123 может быть сформирован в виде оптического ответвителя, подобного тому, который, например, раскрыт в патентном документе 3. Этот оптический ответвитель 123 имеет множество портов 122 накачки, которые сформированы из многомодовых оптических волокон, и один порт 122 сигнала, который сформирован из одномодового волокна, и имеет один выходной порт 124, который сформирован путем объединения этих портов в интегрированный элемент способом вытягивания из расплава.
Лазерное излучение, излученное из ЗГ 110, выходит из портов 122 сигнала и излучается в сердцевину волокна 125 с двойной оболочкой, легированного редкоземельными элементами, через оптический ответвитель 123. С одной стороной портов 122 накачки соединены источники 121 светового излучения накачки, и световое излучение накачки излучается в первую оболочку волокна 125 с двойной оболочкой, легированного редкоземельными элементами, через оптический ответвитель 123. Световое излучение накачки, которое излучается в первую оболочку волокна 125 с двойной оболочкой, легированного редкоземельными элементами, поглощается ионами редкоземельных элементов, которыми была легирована сердцевина, вследствие чего создается инверсия заселенности, и в результате генерации вынужденного излучения происходит усиление лазерного излучения, проходящего через внутреннюю часть сердцевины, и оно выводится как выходное излучение лазера.
В данном примере в качестве волокна 125 с двойной оболочкой, легированного редкоземельными элементами, которое входит в состав УМ 120, использовалось волокно с двойной оболочкой, легированное иттербием (Yb), сердцевина которого была легирована ионами иттербия (Yb), и это волокно имело диаметр сердцевины, равный 6 мкм, диаметр первой оболочки, равный 125 мкм, а поглощение сердцевины составляло 1200 дБ/м на длине волны 976 нм. В качестве источника светового излучения накачки для возбуждение ионов иттербия (Yb) был использован источник светового излучения накачки с длиной волны 915 нм. Выходная мощность каждого источника светового излучения накачки составляла 6 Вт, поэтому при использовании 12 источников света можно было получить световое излучение накачки с максимальной мощностью 72 Вт. Количество источников светового излучения накачки (то есть, максимальную мощность) регулируют в соответствии с требуемой выходной мощностью лазера. Если с выхода УМ 120 не может быть получена желательная выходная мощность, то может быть предусмотрено наличие еще одного усилителя мощности (УМ), имеющего ту же самую структуру, который расположен далее по ходу луча от УМ 120, для усиления выходного излучения до желательной выходной мощности.
В качестве преобразователя 130 длины волны было использовано волокно, преобразующее длину волны. Это волокно, преобразующее длину волны, представляет собой волокно, в котором происходит сдвиг длины волны падающего света в сторону более длинных длин волны вследствие вынужденного рамановского (комбинационного) рассеяния при облучении его светом высокой интенсивности. Интенсивность света, создающего вынужденное комбинационное рассеяние, может быть отрегулирована посредством диаметра сердцевины и длины оптического волокна, преобразующего длину волны. В данном примере при использовании одномодового волокна длиной 50 м с диаметром сердцевины 6 мкм преобразование длины волны вследствие вынужденного комбинационного рассеяния происходит в том случае, если значение мощности светового излучения, излученного в волокно, преобразующее длину волны, в максимуме импульса является большим, чем, приблизительно, 50 Вт.
Поскольку значение мощности импульсного светового излучения, излученного из ЗГ 110 из данного примера, в максимуме импульса составляет, приблизительно, 70 Вт, то оно способно обеспечивать преобразование длины волны в достаточной мере. Длина волны импульсного светового излучения, излученного из ЗГ 110, равна 1040 нм, как показано на Фиг.5, и когда это импульсное световое излучение проходит через оптическое волокно, преобразующее длину волны, то, как показано на Фиг.6, происходит сдвиг длины волны этого импульсного светового излучения вследствие комбинационного рассеяния до длины волны, приблизительно, 1090 нм. На Фиг.6 показано, что происходит генерация только лишь света, имеющего длину волны 1090 нм (то есть светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием первого порядка), однако, если выполнены настройки для того, чтобы вынужденное комбинационное рассеяние происходило легче, например, путем увеличения длины волокна или путем уменьшения диаметра сердцевины и т.п., то становится возможным выполнение преобразования длины волны на еще больших длинах волн, например, на длине волны 1140 нм (то есть световое излучение, вызванное комбинационным рассеянием второго порядка). В данном примере импульсное световое излучение подвергается преобразованию длины волны только на длине волны 1090 нм, вследствие чего в УМ 120 возможно усиление импульсов волокном 125 с двойной оболочкой, легированным иттербием (Yb), которое подсоединено на более поздней ступени. Кроме того, если форма импульсов светового излучения во времени является совершенно прямоугольной, то возможно полное преобразование длины волны в длину волны, равную 1090 нм, однако, импульсы, реально излученных из ЗГ 110, имеют, например, такую форму во времени, которая показана на Фиг.8, поэтому преобразование длины волны на передних фронтах и задних фронтах импульсов не происходит, и преобразование длины волны происходит, приблизительно, в максимуме импульсов. Вследствие этого, в излучаемом импульсном световом излучении, которое выходит из волокна, преобразующего длину волны, содержатся компоненты как с длиной волны 1040 нм, так и с длиной волны 1019 нм.
В качестве первого фильтра 140 для фильтрации по длинам волн использован полосовой фильтр, который выполнен таким образом, что из всего импульсного светового излучения, излученного из ЗГ 110, пропускает свет с длиной волны около 1040 нм, а в качестве второго фильтра 150 для фильтрации по длинам волн использован полосовой фильтр, который выполнен таким образом, что пропускает свет с длиной волны около 1090 нм, представляющий собой длину волны после преобразования. Для каждого фильтра использован фильтр с многослойной диэлектрической мембраной. Соответственно, из импульсного светового излучения (см. Фиг.6), излученного из волокна, преобразующего длину волны, через него может проходить только импульсное световое излучение, имеющее компоненты с длиной волны около 1090 нм (см. Фиг.7). На этом этапе форма импульса изменяется с формы импульса, показанной на Фиг.8, на форму импульса, показанную на Фиг.9, вследствие чего длительность импульса также уменьшается. Как описано выше, это происходит потому, что преобразование длины волны происходит вблизи максимума импульса. Кроме того, в результате уменьшения длительности импульса вследствие преобразования длины волны, при его усилении усилителем мощности (УМ) 120 он может быть усилен до еще более высокого значения в максимуме.
Импульсное световое излучение, прошедшее через второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн, излучается в УМ 120, где происходит его усиление, а затем выводится как выходное излучение лазера. Поскольку в данном примере мощность светового излучения накачки составляет 70 Вт, то получена выходная мощность, равная 25 Вт, и получены импульсы, имеющие длительность импульса, равную 53 наносекундам (нс), и мощность в максимуме, равную 25 кВт.
Затем, когда волоконный лазер работал таким образом, что выходная мощность лазера составляла 25 Вт, в излучающий торец УМ 120 было помещено зеркало для изменения потерь на отражение, и были проведены измерения средней мощности импульсов отраженного света, возвращающихся из УМ 120 в ЗГ 110, и мощности импульсов отраженного света, проходящих через первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн и входящих в ЗГ 110. Эти результаты показаны на Фиг.10.
Как показано на Фиг.10, при максимальной мощности из УМ 120 в направлении ЗГ 110 происходило излучение импульсов отраженного света мощностью, приблизительно, 30 дБ по отношению к 1 милливатту (1 Вт). Повреждение оптических элементов, используемых в ЗГ 110, происходит даже в том случае, если в ЗГ 110 входят импульсы отраженного света мощностью 1 Вт. Однако мощность импульсов отраженного света, реально входящих в ЗГ 110, сохранялась на уровне 0 дБ по отношению к 1 милливатту (1 мВт) или на меньшем уровне.
Причина этого состоит в следующем: поскольку первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн пропускает только свет, имеющий ту же самую длину волны, что и длина волны ЗГ 110, то когда импульсы отраженного света, которые подверглись преобразованию длины волны и длина волны которых была изменена, проходят через первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн, он их не пропускает. Повреждение оптических элементов, используемых в ЗГ 110, обычно не происходит при условии, что мощность составляет 100 мВт. Кроме того, поскольку для фильтров 140 и 150, предназначенных для фильтрации по длинам волн, используют многослойные диэлектрические мембраны, имеющие превосходные свойства по допустимой мощности, то они не повреждаются даже при блокировании импульсов отраженного света с высокой интенсивностью. Кроме того, также не требуются дорогостоящие устройства развязки.
Используемая здесь технология преобразования длины волны, в которой преобразование длины волны осуществляют посредством комбинационного рассеяния, генерируемого в результате излучения светового сигнала в волокно с высокой степенью нелинейности, и последующего выделения фильтром для фильтрации по длинам волн только компонентов с длиной волны, равной длине волны после преобразования, раскрыта, например, в патентном документе 2. Если предусмотрено наличие этой структуры между ЗГ 110 и УМ 120 из данного примера, то когда происходит испускание излучения из ЗГ 110 в УМ 120, возможно преобразование длины волны в импульсное световое излучение, которое УМ 120 способен усиливать, однако, отраженный свет проходит через оба элемента: через фильтр для фильтрации по длинам волн и через волокно с высокой степенью нелинейности, и входит в ЗГ 110. В результате, при использовании этой конструкции невозможно обеспечить защиту ЗГ 110 от импульсов отраженного света.
Пример № 2
В Примере № 1 спектр длин волн преобразования на основе комбинационного рассеяния имел вид, показанный на Фиг.6, и имели место значительные потери мощности при прохождении света через второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн. Невозможно еще больше увеличить мощность светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием первого порядка, даже в том случае, если возникновение комбинационного рассеяния было облегчено путем регулирования длины волокна, преобразующего длину волны, и т.п., поскольку начинается генерация светового излучения вследствие комбинационного рассеяния второго порядка. Следовательно, за счет использования волокна с фотонной запрещенной зоной (которое ниже обозначено аббревиатурой PBGF) для преобразователя 130 длины волны в той же самой конструкции, которая была использована в Примере № 1, обеспечено уменьшение потерь мощности и достигнуто повышение коэффициента полезного действия.
Волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF) описано, например, в документе 1, не являющемся патентом. Поперечный разрез волокна с фотонной запрещенной зоной (PBGF) показан на Фиг.11, а профиль распределения показателя преломления в его радиальном направлении показан на Фиг.12. Это волокно 500 с фотонной запрещенной зоной (PBGF) имеет в своем центре область 501, показатель преломления в которой имеющую столь же низкий, как и чистый кварц, и имеет участок 502, расположенный вокруг области 501, который был сформирован имеющим более высокий показатель преломления путем добавления германия (Ge) или подобного ему вещества. Этот участок с высоким показателем преломления расположен в виде периодической структуры, имеющей форму треугольной решетки. Путем регулирования диаметра этого участка с высоким показателем преломления и промежутков в нем может быть сформирована фотонная зона, имеющая желательный диапазон длин волн. Когда в область 501 с низким показателем преломления этого волокна 500 с фотонной запрещенной зоной (PBGF) излучают свет, то поскольку свет в области длин волн, соответствующей фотонной запрещенной зоне, не может проходить через участок 502 с более высоким показателем преломления, который был создан в периодической структуре, он становится ограниченным в своем распространении областью 501 с низким показателем преломления и направляется через область сердцевины. Это отличается от принципа волновода, который является определяющим для оптических волокон, используемых в обычной оптической связи и т.п. Поскольку свет с иными длинами волн, чем этот диапазон, также может проходить через периодическую структуру, то он излучается наружу в своем существующем виде через всю поверхность волокна. То есть сформировано оптическое волокно, в котором в областях длин волн, соответствующих фотонной запрещенной зоне, области с низким показателем преломления действуют для светового излучения как сердцевина, а области с высоким показателем преломления действуют для светового излучения как оболочка.
В данном примере фотонная запрещенная зона находится в областях длин волн импульсного светового излучения, излученного из ЗГ 110 и соответствующего ему светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием первого порядка (то есть, в диапазоне длин волн 1020 нм ~ 1120 нм), причем в качестве волокна, преобразующего длину волны, в областях длин волн светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием второго порядка, (то есть, на длине волны 1140 нм) использовано волокно 500 с фотонной запрещенной зоной (PBGF), находящейся вне диапазона длин волн вышеупомянутой фотонной запрещенной зоны. При использовании структуры этого типа, когда импульсное световое излучение, излученное из ЗГ 110, проходит к УМ 120, то импульсное световое излучение, излученное из ЗГ 110, а соответствующее ему световое излучение, вызванное комбинационным рассеянием первого порядка, распространяются таким образом, что являются ограниченными в своем распространении областью сердцевины, и световое излучение, вызванное комбинационным рассеянием, которое сгенерировано световым излучением, вызванным комбинационным рассеянием первого порядка, выходит до того, как оно будет подвергнуто вынужденному комбинационному рассеянию, не проходя через область сердцевины. При условии, что вынужденное комбинационное рассеяние не происходит, поскольку имеется возможность эффективного подавления преобразования длины волны в интервале от светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием первого порядка, до светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием второго порядка, за счет использования этого волокна 500 с фотонной запрещенной зоной (PBGF) может быть сгенерировано больше светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием первого порядка, чем то, которое сгенерировано с использованием оптического волокна, преобразующего длину волны, из примера № 1.
На Фиг.13 показан спектр длин волн излучения на выходе волокна 500 с фотонной запрещенной зоной (волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF)), когда в качестве преобразователя 130 длины волны было использовано волокно 500 с фотонной запрещенной зоной (PBGF). По сравнению со случаем, который был описан в примере № 1 (см. Фиг.6), стало возможным сгенерировать большее количество импульсного светового излучения с длиной волны 1090 нм. Потери, возникающие во время прохождения через второй фильтр 150 для фильтрации по длинам волн, составляли 3,5 дБ в примере № 1, в то время как в данном примере эти потери были уменьшены до 1,8 дБ.
Кроме того, за счет уменьшения этих потерь также были получены следующие эффекты.
В результате уменьшения потерь возросла мощность импульсного светового излучения, вводимого в УМ 120, вследствие чего мощность накачки, необходимая для получения выходной мощности, равной 25 Вт, которая является той же самой, как и в примере № 1, уменьшена для 65 Вт. То есть существует возможность получить ту же самую выходную мощность, которая была получена в примере № 1, с использованием меньшей мощности накачки. Источник светового излучения накачки в волоконном лазере является одним из наиболее дорогостоящих его компонентов, и если имеется возможность уменьшить необходимую мощность накачки, то это дает значительный эффект, связанный со снижением стоимости. Кроме того, поскольку имеется возможность уменьшить мощность накачки, то можно снизить коэффициент усиления волокна, легированного редкоземельными элементами, и, тем самым, затруднить возникновение паразитных колебаний. В результате, получен эффект, заключающийся в возможности повышения надежности волоконного лазера.
Когда волоконный лазер работал таким образом, что выходная мощность лазера составляла 25 Вт, так же, как и в примере № 1, в излучающий торец УМ 120 было помещено зеркало для того, чтобы установить потери на отражение равными 20 дБ, и были проведены измерения средней мощности импульсов отраженного света, возвращающихся из УМ 120 в ЗГ 110, и мощности импульсов светового излучения, проходящих через первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн и входящих в ЗГ 110. В результате было установлено, что при максимальной мощности, равной, приблизительно, 29 дБ по отношению к 1 милливатту (0,8 Вт), происходило излучение импульсов отраженного света из УМ 120 в ЗГ 110. Соответственно, мощность импульсов отраженного света, входящих в ЗГ 110, сохранялась на уровне -3 дБ по отношению к 1 милливатту (0,5 мВт), поэтому были получены, по существу, те же самые эффекты, как и эффекты, полученные в примере № 1.
Пример № 3
В Примере № 2 были снижены потери мощности за счет использования волокна с фотонной запрещенной зоной (PBGF) в качестве преобразователя длины волны, в результате чего был повышен коэффициент полезного действия.
Однако для того, чтобы происходило удовлетворительное преобразование длины волны, необходимо очень длинное волокно, преобразующее длину волны, длиной порядка нескольких десятков метров. Вследствие этого, технологичность изготовления лазера плоха, и требуется значительное пространство для того, чтобы вместить его. В частности, как показано на Фиг.12, поскольку волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF) представляет собой структуру со сложным распределением показателя преломления, технологичность является худшей, чем в случае использования обычного волокна, и следствием этого является увеличение стоимости.
Световое излучение, входящее в преобразователь 130 длины волны, генерирует свет с большей длиной волны, чем падающий свет, из-за естественного комбинационного рассеяния при его прохождении через волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF). Этот свет, излучаемый при естественном комбинационном рассеянии, постепенно накапливается, по мере прохождения падающего света через волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF). Когда его интенсивность достигает определенного значения, происходит резкий сдвиг длины волны вследствие вынужденного комбинационного рассеяния.
Соответственно, генерация светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием второго порядка, происходит тогда, когда падающий свет приближается к излучающей стороне преобразователя 130 длины волны. Соответственно, имеется возможность подавления генерации светового излучения, вызванного комбинационным рассеянием второго порядка, даже в том случае, если участок на той стороне преобразователя 130 длины волны, на которую падает излучение, не является волокном с фотонной запрещенной зоной (PBGF), при условии, что в качестве участка на излучающей стороне используется волокно с фотонной запрещенной зоной (PBGF).
С учетом вышеизложенного были сделаны следующие видоизменения лазера из примера № 2.
Несмотря на то что базовая структура лазера остается той же самой, что и в примере № 2, пример № 3 отличается тем, что преобразователь 130 длины волны сконструирован из двух частей, например из частей, описание которых приведено ниже (см. Фиг.14).
Для первого преобразователя 131 длины волны было использовано одномодовое волокно, имеющее диаметр сердцевины 4 мкм. За счет того, что диаметр сердцевины выполнен меньшим по сравнению с примером № 1, можно повысить плотность мощности светового излучения, распространяющегося через внутреннюю часть сердцевины, и преобразование длины волны может происходить в более коротком оптическом волокне. Длина волокна была отрегулирована до длины (равной 15 м), при которой едва наблюдалось световое излучение, вызванное комбинационным рассеянием первого порядка, в световом излучении на выходе первого преобразователя 131 длины волны. Спектр на выходе первого преобразователя длины волны показан на Фиг.15.
Второй преобразователь длины волны был сформирован из 25 метров того же самого волокна, которое было использовано в примере № 2. Спектр его выходного излучения был тем же самым, что и спектр выходного излучения для излучения на выходе волокна с фотонной запрещенной зоной (PBGF) в примере № 2 (см. Фиг.13), поэтому преобразователь 130 длины волны имел такие же самые функции, как и в конструкции из примера № 2.
Кроме того, длина использованного здесь волокна с фотонной запрещенной зоной (PBGF) была в два раза меньшей по сравнению с другими примерами, что демонстрирует возможность уменьшения длины используемого волокна с фотонной запрещенной зоной (PBGF).
Пример № 4
В качестве преобразователя 130 длины волны был использован усилитель мощности, легированный иттербием (Yb). В качестве волокна, легированного иттербием (Yb), использовалось волокно, имеющее структуру с двойной оболочкой, имеющее диаметр сердцевины, равный 6 мкм, и диаметр оболочки, равный 120 мкм, а коэффициент поглощения сердцевины составлял 1200 дБ/м (на длине волны 976 нм). Длина этого оптического волокна, легированного иттербием (Yb), и интенсивность светового излучения накачки были отрегулированы таким образом, чтобы длина волны при максимальном коэффициенте усиления оптического волокна, легированного иттербием (Yb), была вблизи 1090 нм. Когда оно облучалось импульсным световым излучением, излученным из ЗГ 110, то было получено такое же выходное излучение, как то, которое показано на Фиг.16, и имелась возможность преобразования длины волны импульсного светового излучения с 1040 нм до 1090 нм. При этом в зависимости от режима работы усилителя мощности, в некоторых случаях также может происходить генерация импульсного светового излучения с длиной волны 1140 нм. Это происходит потому, что вследствие комбинационного рассеяния возникает сдвиг длины волны импульсного светового излучения, длина волны которого была преобразована в длину волны 1090 нм, и если происходит генерация большого количества этого импульсного светового излучения, то это может вызвать потери. Вследствие этого также имеется возможность уменьшения сдвига длины волны, вызванного комбинационным рассеянием, с использованием оптического волокна, легированного иттербием (Yb), которое имеет большой диаметр сердцевины, или с использованием волокна, полученного путем введения ионов иттербия (Yb) в сердцевину волокна 500 с фотонной запрещенной зоной (PBGF). Также имеется возможность способствовать сдвигу длины волны путем ввода затравочного света с того же самого направления, что и направление испускания импульсного светового излучения из ЗГ 110 в усилитель мощности. Затравочный свет может быть излучен в усилитель мощности синхронно с импульсным световым излучением на той длине волны, на которой желательно выполнять преобразование длины волны.
Затем, импульсное световое излучение, подвергнутое преобразованию длины волны, было усилено посредством УМ 120, и были выполнены такие регулировки, что мощность выходного излучения лазера составляла 25 Вт. Затем, таким же самым образом, как и в примере № 1, в излучающий торец УМ 120 было помещено зеркало для того, чтобы установить потери на отражение, равные 20 дБ, и были проведены измерения средней мощности импульсов отраженного света, возвращающихся из УМ 120 в ЗГ 110, и мощности импульсов отраженного света, проходящих через первый фильтр 140 для фильтрации по длинам волн и входящих в ЗГ 110. В результате, было установлено, что при максимальной мощности, равной приблизительно 29 дБ по отношению к 1 милливатту (0,8 W), происходило излучение импульсов отраженного света из УМ 120 к ЗГ 110. Соответственно, было подтверждено, что мощность импульсов отраженного света, входящих в ЗГ 110, сохранялась на уровне +8 дБ по отношению к 1 милливатту (6 мВт). Поскольку отраженный свет был усилен при его прохождении через усилитель мощности, то мощность импульсов отраженного света была большей по сравнению с примером № 1 и примером № 2, однако, она все же оставалась достаточно малой, поэтому оптические элементы в ЗГ 110 не были повреждены.
Кроме того, за счет использования усилителя мощности в качестве преобразователя 130 длины волны, появилась возможность получить такие эффекты, которые не могли быть получены в примере № 1 и примере № 2. В данном примере несмотря на то, что мощность импульсного светового излучения до преобразования длины волны составляла 70 мВт, выходная мощность после преобразования длины волны была усилена до 900 мВт. То есть мощность импульсного светового излучения, излученного в УМ 120, могла быть увеличена в 10 раз или более по сравнению с примером № 1 и примером № 2. Если мощность импульсного светового излучения, излученного в УМ 120, увеличивается, то можно уменьшить световое излучение накачки УМ 120, необходимое для получения заданной выходной мощности. То есть, поскольку коэффициент усиления УМ 120 может быть уменьшен, то можно предотвратить повреждение волоконного лазера, вызванное паразитными колебаниями. Получено еще одно преимущество, заключающееся в том, что можно сократить количество лазеров светового излучения накачки, которые составляют самую большую долю стоимости волоконного лазера.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Согласно волоконному лазеру из настоящего изобретения можно предотвратить повреждения волоконного лазера, вызванные отраженным светом, без использования дорогостоящих оптических элементов.