МНОГОЭЛЕМЕНТНОЕ ВОЛОКНО ДЛЯ ИСТОЧНИКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, СОСТОЯЩЕЕ ИЗ ПАССИВНОГО И ЛЕГИРОВАННОГО РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СТЕКЛЯННЫХ ВОЛОКОН, С ОБЩЕЙ ПОЛИМЕРНОЙ ОБОЛОЧКОЙ, НА ВНЕШНЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ КОТОРОЙ ВИНТООБРАЗНО НАМОТАНА МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПРОВОЛОКА
MULTIPLE-COMPONENT FIBRE FOR LASER RADIATION SOURCE, CONSISTING OF PASSIVE AND ALLOYED WITH RARE-EARTH ELEMENTS GLASS FIBRES, WITH COMMON POLYMER SHELL, ON OUTER SURFACE OF WHICH METAL WIRE IS WOUND IN HELICAL FASHION

Изобретение относится к области лазерной волоконной техники, в частности к области создания новых типов активных лазерных сред.
Известно активное волокно с двойной оболочкой (в литературе называется double-clad fiber или DCF волокно) [1]. Оно состоит из световедущей жилы, легированной, как минимум, одним типом редкоземельного элемента, и, по меньшей мере, из одной светоотражающей оболочки. Благодаря волноводному эффекту на границе «оболочка-полимер» (или «оболочка-оболочка») по оболочке может распространяться оптическое излучение. Данный эффект используется для того, чтобы завести в волокно излучение накачки, которое после этого поглощается в активной сердцевине.
Известно активное волокно с многоэлементной первой оболочкой (МПО-волокно) [2]. В мировой литературе данный тип волокон называется DSCCP fiber (distributed side-coupled cladding-pumped fiber) или GTWave fiber. Конструкция состоит из волокна, сердцевина которого легирована, как минимум, одним типом редкоземельного иона, и, по меньшей мере, одного многомодового волокна для оптической накачки, которые находятся в оптическом контакте и покрыты общей полимерной оболочкой.
В настоящее время технология производства таких волокон продолжает развиваться ввиду ряда существенных преимуществ по сравнению с более распространенным активным волокном с двойной оболочкой:
1. значительное упрощение оптической схемы лазера или усилителя, т.к. при заведении оптической накачки свободными остаются сигнальные входной и выходной порты активного волокна;
2. уменьшение тепловой нагрузки на волокно, т.к. накачка заводится не с торца активного волокна, а в расположенное рядом пассивное многомодовое, находящееся в оптическом контакте. В результате уменьшается поглощение накачки на единицу длины волокна, т.е. активная среда оказывается более однородно возбужденной, и уменьшается выделяемое тепло на единице длины [3].
Данный тип активного волокна взят за прототип.
При использовании данной конструкции достигнуты большие мощности с высоким качеством пучка лазерного излучения [4]. Однако данная конструкция имеет недостаток, ограничивающий получение больших мощностей: ухудшение оптического контакта с увеличением разогрева. Данное явление объясняется тепловым расширением и ухудшением упругих свойств общей полимерной оболочки, за счет которой поддерживается оптический контакт. Сохранение свойств данного контакта является важной задачей для получения лазерных источников большой мощности (десятки киловатт непрерывного излучения).
Стоит подчеркнуть, что разогрев активной среды является одним из основных ограничивающих факторов на пути к достижению больших мощностей для любой конструкции волокна. Это вызвано рядом причин. При разогреве волокна изменяются спектральное распределение поглощения накачки (сечение поглощения) и спектральная полоса усиления (сечение люминесценции) [5], поперечный профиль моды (вследствие изменения поперечного профиля показателя преломления) [6]. В условиях лазерной генерации, т.е. при наличии резонатора, совокупность этих факторов приводит к уменьшению эффективности генерации. Вышеперечисленные факторы подчеркивают, что температурный контроль волокна также является важной экспериментальной задачей.
Известен метод измерения температуры активного волокна лазера в условиях генерации при помощи сенсорного волокна с записанными в нем волоконными брэгговскими решетками (ВБР), находящимися в тепловом контакте с исследуемым [7]. Экспериментально, по спектру оптического отражения определялись температуры ВБР сенсорного волокна, а распределение температуры в сердцевине активного волокна рассчитывалось теоретически. Также данный метод позволял рассчитать продольное распределение в сердцевине волокна. Недостатком данного способа является измерение температуры с помощью волоконных брэгговских решеток, находящихся в слабом одностороннем тепловом контакте (ввиду небольшой площади контакта сенсорного волокна) с полимерной оболочкой активного волокна, что уменьшает точность измерений, а также вносит неоднородность в распределение температуры внутри полимерной оболочки. Вторым недостатком устройства с ВБР является то, что расчеты, по предложенной авторами теоретической модели, основываются на значениях неконтролируемых параметров теплового контакта «полимер-волокно с ВБР».
Техническим результатом изобретения является стабилизация эффективности генерации волоконного лазера за счет уменьшения температурной зависимости оптического контакта между активным волокном и волокном накачки и за счет улучшения теплоотвода от активной среды, а также возможность измерения температуры любого участка волокна.
Технический результат достигается тем, что по всей длине МПО-волокна, включающего активное волокно, содержащее световедущую сердцевину, легированную по меньшей мере одним типом редкоземельного элемента, светоотражающую оболочку, и по меньшей мере один световод для оптической накачки, находящийся в оптическом контакте с активным волокном, при этом активное волокно и волокно накачки покрыты, по меньшей мере, одним слоем полимерной оболочки, намотана металлическая проволока или лента.
Металлическая проволока или лента, имеющие тонкое электроизолирующее покрытие, могут быть изготовлены из меди или стали с золотым или платиновым покрытием. Они могут быть выполнены в виде единого отрезка или отдельных отрезков, поверх них может быть дополнительно нанесено полимерное покрытие.
Также данная конструкция позволяет измерять температуру в волокне. При разогреве активного волокна происходит разогрев полимерной защитной оболочки, вследствие чего происходит разогрев металлической проволоки, находящейся в тепловом контакте с полимерной оболочкой. При изменении температуры проволоки происходит изменение ее сопротивления. При измерении сопротивления с высокой точностью (что легко осуществимо при помощи использования современных миллиомметров или мостовых схем) с высокой точностью контролируется температура проволоки, что используется в качестве граничных условий для расчета распределения температуры внутри волокна и полимера. Измерительная система улучшает однородность поперечного распределения температуры внутри волокна вследствие однородности намотки.
Расчет проводится на базе стационарных уравнений теплопроводности с известными граничными условиями (температура проволоки). За основу взята модель, предложенная в статье [8]. По сравнению с ранее предложенной моделью, учитываются также тепловые и оптические свойства полимера (модель коаксиального разогрева, впервые предложенная в 2011 году [9]). При этом коэффициенты, характеризующие конвективный теплообмен между полимером и воздухом и между металлом и воздухом, определяются из кинетики разогрева или остывания волокна на основе нестационарных уравнений теплопроводности.
Тепловой контакт «полимер-металл» при изменении температуры может незначительно меняться (из-за теплового изменения линейных размеров полимера и проволоки). В расчеты вносится поправочный коэффициент, определяемый при проведении калибровочного эксперимента.
При проведении измерений могут быть использованы концы единого отрезка проволоки (для измерения средней температуры волокна) либо дополнительные выводы на едином участке проволоки или отдельные отрезки проволоки. При использовании дополнительных выводов или отдельных отрезков можно измерять сопротивление отдельного участка проволоки или отдельной проволоки, т.е. контролировать разогрев отдельного участка активного волокна, на который намотан измеряемый отрезок проволоки. Благодаря такой конструкции можно измерить продольное распределение температуры в волокне.
Описанный выше способ измерения температуры волокна может быть использован для любого типа активного волокна (например, и для волокна с двойной оболочкой), а также для измерения температуры любых полностью волоконных элементов (например, ВБР, отрезок пассивного волокна).
Помимо этого, описанный способ измерения температуры активного волокна может быть использован как метод диагностики качества активных волокон при стандартизации процедуры тестирования (мощность накачки, внешние условия, способ теплоотвода).
На фиг. 1 представлено поперечное сечение многоэлементного волокна для волоконного лазера; на фиг. 2 представлено многоэлементное волокно с намотанной на поверхность полимерного покрытия металлической проволокой; на фиг. 3 представлено многоэлементное волокно с выводами (а) и многоэлементное волокно с отдельными отрезками проволоки (б), многоэлементное волокно с выводами на концах (в), где 1 - световедущая жила, легированная, по меньшей мере, одним типом редкоземельного иона, 2 - светоотражающая оболочка, 3 - волокно накачки, 4 - общая полимерная оболочка, 5 - металлическая проволока или лента, 6 - выводы от металлической проволоки или ленты, 7 - измеритель сопротивления.
Изобретение может быть осуществлено при наматывании медной проволоки диаметром 90 мкм на полимерную оболочку Sylgard МПО-волокна, жила активного волокна которого легирована ионом иттербия. Данное волокно используется в качестве активной среды в лазере, работающем в режиме свободной генерации (резонатор образован прямыми сколами). МПО-волокно имеет при этом воздушное конвективное охлаждение. При включении оптической накачки, осуществляемой при помощи полупроводниковых лазеров с длиной волны 962 нм, суммарная мощность которых не более 140 Вт, от нуля до максимального значения при наличии намотанной проволоки наблюдается незначительное изменение дифференциальной эффективности генерации (меньшее по сравнению со случаем отсутствия намотки), т.е. происходит стабилизация эффективности лазерной генерации.
При добавлении к описанной выше конструкции измерителя сопротивления возможно измерение средней по длине температуры активного волокна. При включении максимальной мощности оптической накачки было измерено, что проволока разогрелась в среднем на 30°C по сравнению с комнатной температурой. При этом рассчитано, что средний разогрев сердцевины активного волокна составил 45°C относительно комнатной температуры.
Таким образом, предлагаемое изобретение стабилизирует эффективность генерации волоконного лазера за счет уменьшения температурной зависимости оптического контакта между активным волокном и волокном накачки и за счет улучшения теплоотвода от активной среды, а также позволяет контролировать температуру разогрева волокна.
Литература
1. М. Muendel. Optical fiber structure for efficient use of pump power, USA Patent №5533163 A, July 29, 1994.
2. A. Grudinin, D. Payne, P. Turner, L. Nilsson, M. Zervas, M. Ibsen, M. Durkin. Multi-fibre arrangements for high power fibre lasers and amplifiers, USA Patent №6826335, Nov 30, 2004.
3. Z. Huang, J. Cao, S. Guo, J. Chen, X. Xu. Comparison of fiber lasers based on distributed side-coupled cladding-pumped fibers and double-cladding fibers, Applied Optics, vol. 53, No. 10, pp 2187-2195, 2014.
4. H. Zimer, M. Kozak, A. Liem, F. Flohrer, F. Doerfel, P. Riedel, S. Linke, R. Horley, F. Ghiringhell, S. Demoulins, M. Zervas, J. Kirchhof, S. Unger, S. Jetschke, T. Peschel, T. Schreiber. Fibers and fiber-optic components for high power fiber lasers, Proc. of SPIE, vol. 7914, pp 791414-1 - 791414-17, 2011.
5. E. Mc-Cumber Einstein Relations Connecting Broadband Emission and Absorption Spectra, Phys. Rev. 136, A954, 16 November 1964D.
6. K.R. Hansen, T.T. Alkeskjold, J. Broeng, and J. Lagsgaard. Thermo-optical effects in high-power Ytterbium-doped fiber amplifiers, Opt. Express 19, pp. 23965-23980, 2011.
7. Y. Jeong, S. Baek, P. Dupriez et al. Thermal characteristics of an end-pumped high-power ytterbium-sensitized erbium-doped fiber laser under natural convection, Opt. Express, vol. 16, №24, p.19865, 2008.
8. D.C. Brown, H.J. Hoffman. Thermal, stress, and thermo-optic effects in high average power double-clad silica fiber lasers, Journal of Quantum Electronics, IEEE, vol.37, no. 2, pp. 207-217, 2001.
9. B.B. Гайнов, P.M. Шайдулин, O.A. Рябушкин. Стационарный разогрев активных волоконных световодов при оптической накачке, Квантовая электроника, т. 41, ном. 7, с. 637-643, 2011.