Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса

Авторы патента:

Худяков Дмитрий Владимирович (RU)

Вартапетов Сергей Каренович (RU)

Бородкин Андрей Александрович (RU)

H01S3/117 - с использованием акустооптического прибора

H01S3/067 - волоконные лазеры

Владельцы патента RU 2540064:

Общество с ограниченной ответственностью "ЛазерСпарк (RU)

Устройство относится к области квантовой электроники. Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит лазер накачки, модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллеры поляризации, волоконные поляризаторы с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации, акустооптический модулятор, установленный непосредственно на оптическое волокно между волоконными поляризаторами, частота акустооптического модулятора равна собственной частоте кольцевого волоконного резонатора. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности синхронизации мод. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к волоконным лазерам со сверхкороткой длительностью импульса.

В волоконном лазере импульсный режим и сверхкороткая длительность импульса может быть обеспечена за счет комбинации активной и пассивной синхронизации лазерных мод.

Известен волоконный лазер с синхронизацией мод JP 2501468 (В2), в котором оптический модулятор работает на частоте, эквивалентной частоте кольцевого резонатора, и позволяет генерировать импульсное излучение. Однако предложенная схема не является полностью волоконной, что ведет к потерям энергии и сложности юстировки лазера.

Известен полностью волоконный лазер с синхронизацией мод, позволяющий генерировать фемтосекундные и пикосекундные импульсы, US 7907645, в котором в качестве модулятора использован установленный в волокно делитель луча по поляризации, действующий как насыщающийся поглотитель для введения синхронизации мод. Однако делитель луча не является волоконным элементом, что ведет к существенным потерям и сложности юстировки оптической схемы лазера.

Задачей изобретения является создание полностью волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса.

Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса, содержащий лазер накачки, последовательно установленные и образующие кольцевой резонатор модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллер поляризации, волоконные поляризаторы, контроллер поляризации, изолятор, волоконный лазер содержит акустооптический модулятор, активный элемент которого установлен непосредственно на волокно кольцевого резонатора между волоконными поляризаторами с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации, частота генератора акустооптического модулятора равна собственной частоте волоконного лазера. Собственная частота резонатора волоконного лазера равна обратной величине времени одного обхода светового импульса по кольцевой схеме данного волоконного резонатора. Контроллеры поляризации используются для реализации пассивной синхронизации мод на эффекте вращения нелинейной поляризации. Лазер содержит акустооптический модулятор, активный элемент которого расположен непосредственно на волокне кольцевого резонатора между поляризаторами с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации. Акустооптический модулятор является активным устройством для синхронизации мод в волоконном лазере. Акустооптический модулятор, индуцируя в волокне акустическую волну, формирует в волокне периодические изменения показателя преломления в направлении распространения акустической волны, создавая динамическую дихроичную среду для излучения, распространяющегося по волокну в зоне действия акустической волны. При распространении излучения в волокне вдоль активного элемента акустооптического модулятора поляризация излучения изменяется, что позволяет импульсу света пройти через второй поляризатор. Активное устройство оптического модулятора установлено непосредственно на волокно кольцевого резонатора, частота генератора акустооптического модулятора равна собственной частоте кольцевого резонатора. При таком исполнении все элементы кольцевого резонатора являются волоконными, комбинация пассивной синхронизации мод, за счет эффекта вращения нелинейной поляризации, и активной синхронизации мод, за счет акустооптической модуляции показателя преломления, позволяет получить стабильное излучение со сверхкороткой длительностью импульса в волоконном лазере.

Плоскость активного элемента акустооптического модулятора составляет угол в 45 градусов с направлениями поляризации волоконных поляризаторов. При таком исполнении глубина модуляции интенсивности проходящего излучения максимальна, а синхронизация мод осуществляется наиболее эффективно.

Амплитуда периодических изменений показателя преломления в волокне максимальна, когда акустическая частота колебаний совпадает с резонансом оптического волокна в месте соединения с активным элементом акустооптического модулятора, определяемого диаметром оболочки волокна. При работе акустооптического модулятора на частоте, равной частоте акустического резонанса, в волокне формируется стоячая акустическая волна, что приводит к увеличению глубины модуляции показателя преломления, что в результате дает наибольшую глубину модуляции проходящего излучения.

Собственная частота резонатора волоконного лазера равна частоте акустического резонанса оптического волокна в месте соединения с активным элементом акустооптического модулятора, поэтому при включении акустооптического модулятора на частоте, равной собственной частоте резонатора волоконного лазера, глубина модуляции интенсивности проходящего излучения максимальна, что приводит к наиболее эффективной синхронизации мод в волоконном лазере.

Длина активного элемента акустооптического модулятора составляет от 0,5 до 2 см. При увеличении длины активного элемента акустооптического модулятора будет увеличиваться длительность импульса, при существенном уменьшении длины активного элемента акустооптического модулятора снижаются глубина модуляции и эффективность синхронизации мод, что приводит к нестабильности работы лазера.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание полностью волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса, с эффективной синхронизацией мод и стабильной работой.

На фиг.1. представлена общая схема полностью волоконного лазера с синхронизацией мод.

На фиг.2. представлено поперечное сечение волокна с активным элементом акустооптического модулятора.

На фиг.1. волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит лазер накачки 1, соединенный с модулем ввода излучения в волокно 2, легированное редкоземельным элементом волокно 3, разветвитель 4, соединенный с выводом лазерного излучения 11, волоконные поляризаторы 6 и 8 с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации. Между волоконными поляризаторами 6 и 8 установлен на волокно 12 активный элемент акустооптического модулятора 7, соединенный с генератором 10. Лазер содержит изолятор 9 и контроллеры поляризации 5. Все элементы волоконные. Модуль ввода излучения лазера накачки в волокно 2, легированное редкоземельным элементом волокно 3, разветвитель 4, поляризаторы 6, 8, изолятор 9 и контроллеры поляризации 5 образуют кольцевой волоконный резонатор.

При включении лазера накачки 1 излучение через модуль ввода 2 попадает в кольцевой резонатор. При средней мощности накачки чуть выше порога лазер излучает в режиме свободной генерации. При прохождении поляризатора 6 излучение в волокне 12 приобретает поляризацию в направлении, показанном стрелкой Р1 на фиг.2. На фиг.2: 13 - прижимное устройство; 12в - оболочка оптического волокна; 12а - сердцевина оптического волокна; 14 - кварцевый резонатор, являющийся активным элементом акустооптического модулятора 7, установленный непосредственно на волокно 12; 15 - пьезоэлектрический преобразователь. Прижимное устройство модулятора 13 обеспечивает позиционирование волокна 12 на кварцевом резонаторе 14, а также вносит статическое изменение коэффициента преломления волокна 12 вдоль направлений осей Х и Y. В этом случае входящая линейная поляризация Р1 раскладывается по осям Х и Y с разными коэффициентами преломления, что вызывает на выходе модулятора фазовый сдвиг 2π(n_x-n_y)L/λ, где n_x - показатель преломления вдоль оси X; n_y - показатель преломления вдоль оси Y; L - длина кварцевого резонатора; λ - длина волны излучения, результирующая поляризация на входе поляризатора 8 становится эллиптической, что позволяет части излучения проходить через поляризатор 8. Излучение блокируется поляризатором 8, если статический фазовый сдвиг модулятора равен πn, и полностью пропускается, если статический фазовый сдвиг равен π(1+2n)/2. При включении генератора 10, соединенного с пьезоэлектрическим преобразователем 15, акустические колебания возникают в кварцевом резонаторе 14, а затем передаются в оптическое волокно 12 и распространяются вдоль оси Y. Таким образом, на участке волокна 12, контактирующем с кварцевым резонатором 14 на длине L, возникают периодические изменения показателя преломления вдоль направления оси Y вследствие распространения акустической волны, и проходящее через модулятор 7 излучение приобретает динамический фазовый сдвиг, частота изменения которого равна частоте акустических колебаний. Если первоначально статистический фазовый сдвиг выставлен так, что модулятор 7 заперт, то при включении генератора 10 модулятор будет открываться с частотой генерируемых в волокне 12 акустических колебаний. Если частота модулятора 7 совпадает с собственной частотой резонатора волоконного лазера, то создаются условия для активной синхронизации мод и генерации сверхкоротких импульсов.

В схеме волоконного лазера использовано одномодовое оптическое волокно с диаметром сердцевины 6 мкм и диаметром оболочки D=125 мкм, а также отрезок активного волокна длиной 60 см, легированный иттербием. Данная схема волоконного лазера при накачке диодным лазером с максимальной средней мощностью 450 мВт на длине волны 976 нм позволяет получить на выходе 11 генерацию пикосекундных импульсов, центрированных на длине волны λ=1035 нм. Контроллеры поляризации 5 на фиг.1 используются для реализации пассивной синхронизации мод на эффекте вращения нелинейной поляризации. Одновременное использование активной и пассивной синхронизации мод в лазере создает условия для самозапуска импульсной генерации, а также укорачивает длительность световых импульсов. В качестве активного элемента волоконного модулятора использовался кварцевый акустооптический модулятор МЛ-202 с модуляционным элементом в виде призмы из плавленого кварца с присоединенным к одной из граней призмы преобразователем из ниобата лития. Наибольшая глубина модуляции и наиболее эффективная синхронизация мод наблюдалась при резонансных частотах 22.48 МГц и 23.08 МГц модулятора МЛ-202, которые близки к акустическому резонансу волокна F=v/2D=23.04 МГц, где v=5760 м/с - скорость звука в кварце. Общая длина оптического волокна кольцевого лазерного резонатора составляла около 9 метров и более точно подбиралась такой, чтобы собственная частота волоконного резонатора была равна частоте акустического резонанса волокна.

1. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса, содержащий лазер накачки, последовательно установленные и образующие кольцевой резонатор модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллер поляризации, волоконные поляризаторы, контроллер поляризации, изолятор, отличающийся тем, что волоконный лазер содержит акустооптический модулятор, активный элемент которого установлен непосредственно на волокно кольцевого резонатора между волоконными поляризаторами с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации, частота генератора акустооптического модулятора равна собственной частоте резонатора волоконного лазера.

2. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса по п.1, отличающийся тем, что плоскость активного элемента акустооптического модулятора составляет угол 45 градусов с направлениями поляризации волоконных поляризаторов.

3. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса по п.1 или 2, отличающийся тем, что собственная частота резонатора волоконного лазера равна частоте акустического резонанса оптического волокна в месте соединения с активным элементом акустооптического модулятора.

4. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса по п.3, отличающийся тем, что длина активного элемента акустооптического модулятора мод составляет от 0,5 до 2 см.

Изобретение относится к лазерной технике. .

Оптический резонатор с высокой пиковой мощностью и комбинация из нескольких таких оптических резонаторов, предназначенных, в частности, для возбуждения генератора света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне // 2321121

Акустооптический синхронизатор мод лазеров // 1402212

Лазер с модулированной добротностью // 841075

Оптический квантовый генератор // 321182

Усиливающее оптическое волокно, а также оптический волоконный усилитель и резонатор, использующий указанный усилитель // 2506672

Изобретение относится к усиливающему оптическому волокну, оптическому волоконному усилителю и резонатору с его использованием. Усиливающее оптическое волокно содержит: сердцевину; оболочку, покрывающую сердцевину; и наружную оболочку, покрывающую оболочку.

Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса // 2486647

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к волоконным импульсным лазерам со сверхкороткой длительностью импульса, работающим на длине волны около 1 мкм.

Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками (варианты) // 2485562

Способ дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды и устройство его реализующее // 2480875

Волоконный лазер, имеющий превосходную стойкость к отраженному свету // 2460186

Лазерная система // 2450397

Изобретение относится к лазерной технике. .

Разграничитель плавления волокна, волоконный лазер и оптическая линия передачи // 2444770

Изобретение относится к волоконно-оптическим линиям передачи. .

Волокно с легированной редкоземельным элементом сердцевиной и многослойной оболочкой, волоконный усилитель и волоконный лазер // 2421855

Волоконный световод для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, способы его изготовления и волоконный лазер // 2302066

Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике. .

Узкополосные волоконные лазеры большой мощности с расширенным диапазоном длин волн // 2269849

Изобретение относится к способу получения волоконных резонирующих полостей для узкополосных волоконных лазеров большой мощности путем использования коротких волокон и подавления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса // 2540484

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит лазер накачки, последовательно установленные, образующие кольцевой резонатор и закрепленные на держатель волокна волоконные модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллер поляризации, волоконный поляризатор, контроллер поляризации, изолятор. При этом волокно закреплено на держателе оптического волокна так, что при распространении импульса излучения по волокну на каждом витке волокна сдвиг фаз поляризационных компонент поля оптического импульса относительно двух взаимно перпендикулярных осей скомпенсирован. Технический результат заключается в упрощении конструкции и обеспечении компактности лазера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Волоконный лазер для генерации световых импульсов // 2540936

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке генераторов световых импульсов с высокой энергией излучения. Волоконный лазер для генерации световых импульсов содержит источник периодической импульсной накачки и волоконный кольцевой резонатор с суммарной нормальной дисперсией, состоящий из активного и пассивного волокон с их общей длиной более 1 км. Ответвитель вывода генерируемого излучения своим входом соединен с выходом кольцевого волоконного резонатора. Выход источника периодической импульсной накачки соединен с входом ответвителя ввода излучения накачки, выход которого соединен с активным волокном. Дополнительный ответвитель соединен своим входом со вторым выходом волоконного кольцевого резонатора и своим выходом - с оптическим входом фотодетектора. Электрический выход фотодетектора соединен с входом линии задержки электрического сигнала, выход которой соединен с входом блока управления источником периодической импульсной накачки, выход которого соединен с входом источника периодической импульсной накачки. Технический результат заключается в увеличении энергии генерируемых импульсов излучения волоконного лазера.

Импульсный волоконный лазер с варьируемой конфигурацией поддерживающего поляризацию излучения кольцевого резонатора // 2547343

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный волоконный лазер с варьируемой конфигурацией поддерживающего поляризацию излучения кольцевого резонатора содержит источник накачки, модуль спектрального сведения, сигнальный вход которого соединен с волоконным изолятором, а сигнальный выход - с активным волокном, которое другим концом соединено с волоконным ответвителем. Изолятор и ответвитель соединены другими концами с входами двух волоконно-оптических переключателей, работающих по схеме 1×N, где N - число выходов, при этом каждый переключатель под управлением электронных сигналов коммутирует входные оптические сигналы на определенные выходы, к которым присоединены волоконно-оптические элементы, обеспечивающие активную или пассивную или гибридную (активно-пассивную) синхронизацию мод излучения лазера или модуляцию добротности резонатора лазера. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации импульсов с различными длительностями, энергиями и частотами повторения в широком диапазоне. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Волоконный лазер с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе (варианты) // 2548388

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер с нелинейным преобразованием частот излучения содержит источник накачки, волоконный линейный резонатор, модуль заведения излучения накачки в усиливающее волокно, спектрально-селективный отражающий элемент с одной стороны линейного резонатора, и содержащий нелинейный оптический кристалл высокодобротный резонатор с другой стороны, а также расположенный между торцом волокна и высокодобротным резонатором фокусирующий элемент. При этом одна из двух плоских рабочих поверхностей нелинейного кристалла, или оптического элемента, расположенного в высокодобротном резонаторе, перпендикулярна падающему излучению и служит выходным зеркалом линейного резонатора, между волокном и фокусирующим элементом расположен коллимирующий оптический элемент, между которыми расположен поляризатор, поверхности которого наклонены к оси резонатора на угол не менее одного градуса. Технический результат заключается в эффективной генерации нелинейно преобразованного излучения с улучшенной временной стабильностью мощности излучения. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

Рамановский волоконный импульсный лазер // 2548394

Рамановский волоконный импульсный лазер содержит оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный кольцевой резонатор, содержащий рамановское усиливающее волокно, преобразующее излучение накачки в излучение первого или более высокого стоксового компонента рамановского рассеяния. Также лазер содержит волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в кольцевой резонатор, позволяющий ввести излучение накачки в кольцевой резонатор и пропускающий усиливаемое излучение рамановского импульсного лазера, поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора и минимум один изолятор, обеспечивающий однонаправленную генерацию излучения. В резонатор лазера введен элемент активной синхронизации мод излучения на основе амплитудного или фазового модулятора. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации стабильных когерентных импульсов с частотой следования более 1 МГц в широком спектральном диапазоне при использовании излучения накачки с различными длинами волн. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Цельно-волоконная лазерная система и способ автогенерации лазерных импульсов // 2548940

Изобретение относится к управляемым импульсным лазерным системам для генерации лазерного излучения на двух оптических частотах. В системе используют два вложенных один в другой волоконных лазера с пассивной модуляцией добротности при внешней накачке излучением лазерного диода, питаемым электрическим током. В качестве просветляемого поглощающего элемента используется активное волокно одного из лазеров. Управление частотой следования импульсов достигается наличием обратной оптоэлектронной связи по частоте следования импульсов и мощности излучения диода. Согласование автогенерации импульсного излучения обеспечивается за счет синхронизации частоты модуляции и мощности тока накачки с частотой следования лазерных импульсов системы. Выходное излучение усиливается оптическим усилителем мощности. Технический результат: стабилизация импульсного излучения с двумя разными оптическими частотами, повышение точности и эффективности преобразования энергии. 3 н., 17 з.п. ф-лы, 5 ил.,2 табл.