Волоконный задающий генератор
FIBRE OPERATING GENERATOR

Изобретение относится к лазерам - приборам для генерации с использованием стимулирующего излучения когерентных электромагнитных волн.
Известны сверхдлинные волоконные задающие генераторы с пассивной синхронизацией мод излучения [1-4], энергия импульсов которых увеличивается за счет увеличения длины резонатора волоконного задающего генератора. Основным недостатком волоконных задающих генераторов этого типа является ограничение энергии импульсов на уровне 4 мкДж из-за критического роста нелинейных эффектов, приводящих к нарушению режима синхронизации мод излучения волоконного задающего генератора при энергии импульсов выходного излучения более ~ 4 мкДж.
Наиболее близким к заявляемому устройству является волоконный задающий генератор с пассивной синхронизацией мод излучения в линейно-кольцевом резонаторе [5].
В данном прототипе синхронизация мод основана на эффекте нелинейной эволюции поляризации. Особенностью данного прототипа является линейно-кольцевая конструкция резонатора с использованием фарадеевского зеркала (ФЗ) в длинной линейной части резонатора, что позволяет в два раза увеличить длину резонатора за счет двойного прохода длинной линейной части резонатора и соответственно в два раза увеличить энергию импульсов, а также позволяет за счет использования ФЗ компенсировать в этой части резонатора линейное изменение состояния поляризации, которое происходит на местах сгибов и неоднородностей в этом длинном волокне и под влиянием окружающей среды (при изменении температуры, при сдавливании и сгибании оптического волокна и т.д.). Однако ФЗ не позволяет компенсировать поворот состояния поляризации (как линейный, так и нелинейный, связанный с высокой интенсивностью излучения) в кольцевой части резонатора, а также нелинейный поворот состояния поляризации в длинной линейной части резонатора.
Недостатками указанного прототипа являются:
1. Ограничение максимальной энергии импульсов на уровне 1.7 мкДж из-за нелинейных эффектов, возникающих в длинном участке резонатора из-за большой протяженности оптического волокна и относительно высокой средней мощности, приводящих к распаду импульсов на субимпульсы.
2. Чувствительность задающего генератора к воздействию окружающей среды, приводящему к линейному изменению состояния поляризации в кольцевой части резонатора, что, в свою очередь, приводит к срыву режима импульсной генерации.
3. Использование контроллеров поляризации, действие которых основано на деформации волокна.
Недостатком таких контроллеров является их недолговременная стабильность. Это связано с изменением со временем параметров двулучепреломления оптического волокна в месте сдавливания/скручивания ввиду его аморфной структуры.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание волоконного задающего генератора с высокой энергией импульсов и пассивной синхронизацией мод излучения, обеспечивающего стабильный режим генерации импульсного излучения с относительно высокой энергией импульсов (более 4 мкДж) за счет снижения влияния нелинейных эффектов в длинной части резонатора и с относительно высокой средней мощностью выходного излучения (более 0.3 Вт).
Поставленная задача решается за счет того, что в волоконный задающий генератор, содержащий источник накачки и резонатор, состоящий из двух волоконных частей - активной нелинейной петли и длинной линейной части, соединяющихся посредством четырехпортового волоконного ответвителя; активная петля образует нелинейное петлевое зеркало и содержит отрезок активного волокна, один конец которого соединен с первым портом четырехпортового ответвителя, а другой конец соединен с выходом волоконного объединителя длин волн, вход накачки которого соединен с источником накачки, а сигнальный вход соединен со вторым портом четырехпортового ответвителя, у которого четвертый порт служит для вывода излучения из резонатора; длинная линейная часть содержит длинный отрезок пассивного волокна, одним концом соединенный с фарадеевским зеркалом; согласно изобретению для обеспечения стабильного режима генерации импульсного излучения с высокой энергией импульсов (более 4 мкДж) и высоких средних мощностей излучения в длинную линейную часть резонатора дополнительно введена петля внутрирезонаторного распределения мощности, состоящая из регулируемого ослабителя мощности, дополнительного отрезка активного волокна, дополнительного волоконного объединителя длин волн с дополнительным источником накачки, оптического изолятора, двух волоконных поляризационных делителей, имеющих минимум по три волоконных порта; при этом третий порт первого волоконного поляризационного делителя соединен с третьим портом четырехпортового ответвителя, а первый порт соединен с входом регулируемого ослабителя мощности, выход которого соединен с первым портом второго волоконного поляризационного делителя; второй порт первого волоконного поляризационного делителя соединен с одним концом дополнительного отрезка активного волокна, другой конец которого соединен с выходом дополнительного волоконного объединителя длин волн, вход накачки которого соединен с дополнительным источником накачки, а сигнальный вход соединен с выходом оптического изолятора; вход изолятора соединен с вторым портом второго волоконного поляризационного делителя, третий порт которого соединен со вторым концом длинного отрезка пассивного волокна.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность реализации в волоконном задающем генераторе стабильной пассивной синхронизации мод излучения, обеспечивающей режим генерации импульсов с высокой энергией более 4 мкДж и с высокой средней мощностью более 0.3 Вт, высокую эффективность преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, надежность конструкции и отсутствие необходимости технического обслуживания в процессе эксплуатации и после транспортировки.
Сущность изобретения поясняется схемой предлагаемого устройства, представленной на фиг. 1, где:
1 - источник накачки,
2 - резонатор волоконного задающего генератора,
3 - активная петля резонатора,
4 - петля внутрирезонаторного распределения мощности,
5 - волоконный четырехпортовый ответвитель,
5.1, 5.2, 5.3, 5.4 - первый, второй, третий, четвертый порты волоконного четырехпортового ответвителя 5,
6 - отрезок активного волокна,
7 - волоконный объединитель длин волн,
8 - первый поляризационный делитель,
8.1, 8.2, 8.3, 8.4, - первый, второй, третий, четвертый порты поляризационного делителя 8,
9 - ослабитель,
10 - второй поляризационный делитель,
10.1, 10.2, 10.3, 10.4 - первый, второй, третий, четвертый порты поляризационного делителя 10,
11 - длинный отрезок пассивного волокна,
12 - фарадеевское зеркало,
13 - оптический изолятор,
14 - дополнительный объединитель длин волн,
15 - дополнительный отрезок активного волокна,
16 - дополнительный источник накачки,
17 - выход волоконного лазера.
Работает устройство следующим образом.
0
1
Излучение от источника накачки 1 с длиной волны λ вводится в резонатор 2 волоконного задающего генератора, через волоконный объединитель 7 поступает в отрезок активного волокна 6, где оно поглощается, вызывая переходы атомов в возбужденное квантовое состояние, в результате чего происходят генерация и усиление излучения на длине волны генерации λ.
1
Из активной петли 3, образующей нелинейное петлевое зеркало (НПЗ), излучение с длиной волны λ через волоконный четырехпортовый ответвитель 5 через третий порт 5.3 частично попадает в длинную линейную часть резонатора 2, а другая часть излучения выводится из резонатора через четвертый порт 5.4 волоконного четырехпортового ответвителя 5.
Вышедшая часть излучения из порта 5.3 волоконного четырехпортового ответвителя 5 через третий порт 8.3 первого поляризационного делителя 8 попадает в петлю внутрирезонаторного распределения мощности 4.
В этой петле внутрирезонаторного распределения мощности 4 излучение распространяется в прямом направлении (справа налево) по верхнему пути от порта 8.1 первого поляризационного делителя 8 к порту 10.1 второго поляризационного делителя 10 и в обратном направлении (слева направо) от порта 10.2 второго поляризационного делителя 10 к порту 8.2 первого поляризационного делителя 8.
Пройдя через первый поляризационный делитель 8 от порота 8.3. в порт 8.1, излучение делится на две компоненты с линейными поляризациями, ортогональными друг другу. Одна из этих компонент излучения выходит через порт 8.1 первого поляризационного делителя 8 и проходит через ослабитель 9, где часть мощности этого излучения ослабляется, а другая компонента излучения выходит через порт 8.2 первого поляризационного делителя 8 и запирается изолятором 13. Прошедшая через ослабитель 9 линейно-поляризованная часть излучения попадает в порт 10.1 и выходит через порт 10.3 второго поляризационного делителя 10.
0
1
Далее излучение проходит через длинный отрезок пассивного волокна 11 и отражается от фарадеевского зеркала 12. При отражении от фарадеевского зеркала 12 происходит поворот поляризации излучения на 90 градусов. Отраженное излучение, пройдя длинный отрезок пассивного волокна 11, возвращается в порт 10.3 второго поляризационного делителя 10. Поскольку вернувшееся излучение имеет линейную поляризацию, ортогональную поляризации излучения, вышедшего из порта 10.3, то это вернувшееся излучение выходит из порта 10.2 второго поляризационного делителя 10. Далее излучение проходит оптический изолятор 13 и дополнительный объединитель длин волн 14 и попадает в дополнительный отрезок активного волокна 15, где за счет поглощения излучения от дополнительного источника накачки 16 с длиной волны λ, вводимого в дополнительный отрезок активного волокна 15 через дополнительный объединитель длин волн 14, происходит усиление и восстановление мощности излучения, вошедшего в дополнительный отрезок активного волокна 15 на длине волны генерации λ, до уровня мощности вошедшего в петлю внутрирезонаторного распределения мощности 4.
Усиленное излучение входит в порт 8.2 и выходит из порта 8.3 первого поляризационного делителя 8. Далее через порт 5.3 волоконного четырехпортового ответвителя 5 излучение возвращается в активную петлю 3.
1
При входе в активную петлю 3 входящее излучение на длине волны генерации λ разделяется волоконным четырехпортовым ответвителем 5 на две части, распространяющиеся во встречном направлении от порта 5.1 к порту 5.2 волоконного четырехпортового ответвителя 5 и наоборот. Эти части излучения при прохождении активной петли 3 получают разные нелинейные набеги фазы, зависящие от коэффициента деления волоконного четырехпортового ответвителя 5, усиления в отрезке активного волокна 6, длины отрезков активного и пассивного волокна активной петли 3.
1
После прохождения активной петли указанные части излучения на длине волны генерации λ интерферируют друг с другом и вновь выходят из активной петли 3. Часть излучения через порт 5.3 вновь попадает в петлю внутрирезонаторного распределения мощности 4, а другая часть через порт 5.4 выводиться из резонатора волоконного задающего генератора 2. Коэффициент прохождения в порт 5.3 и порт 5.4 волоконного четырехпортового ответвителя 5 зависит от разности нелинейного набега фаз Δφ излучения при распространении в активной петле 3.
Петля внутрирезонаторного распределения мощности 4 служит для снижения мощности излучения перед длинным отрезком пассивного волокна 11 с целью снижения нелинейных эффектов в этой части резонатора волоконного задающего генератора. А также петля внутрирезонаторного распределения мощности 4 служит для восстановления мощности излучения перед активной петлей 3 с целью повышения отношения сигнал/шум (аналогично предусилительному каскаду в усилителях).
Нелинейное петлевое зеркало (НПЗ), образующее активную петлю 4 и используемое для получения режима синхронизации мод, является менее чувствительным к воздействию окружающей среды, чем в случае волоконных задающих генераторов с синхронизацией мод на основе эффекта нелинейной эволюции поляризации, так как в волоконных задающих генераторах с НПЗ режим синхронизации мод обуславливается разностью нелинейного набега фазы, менее чувствительной к изменениям поляризации излучения, возникающих под воздействием окружающей среды.
В совокупности использование в волоконном задающем генераторе НПЗ и петли внутрирезонаторного распределения мощности обеспечивает стабильную генерацию импульсов с энергией более 4 мкДж (Optics Express. Vol.24, Issue 6, pp.6650-6655 (2016)).
Использованные источники информации:
1. Optics Express. - 2008. - Vol.16. - № 26. - P. 21936-21941.
2. Laser Physics Letters. - 2012. Vol.9. - № 1. - P. 59-67.
3. Optics Express. - 2006. - Vol.18. - № 20. - P. 20673-20680.
4. ЕСОС 2010, 19-23 September, 2010, Torino, Italy (http://www.nsu.ru/srd/lls/pdfs/Mode-Locking_in_25-km_Fibre_Laser_(ECOC-2010).pdf)
5. Laser Physics Letters. - 2010. - Vol.7. - № 9. - P. 661-665.