Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса

Авторы патента:

Худяков Дмитрий Владимирович (RU)

Вартапетов Сергей Каренович (RU)

Бородкин Андрей Александрович (RU)

H01S3/067 - волоконные лазеры

Владельцы патента RU 2540484:

Общество с ограниченной ответственностью "ЛазерСпарк" (RU)

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.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к волоконным лазерам со сверхкороткой длительностью импульса.

Для компоновки волоконного импульсного лазера, длина волокна которого часто составляет величину от нескольких метров до сотен метров, используется намотка волокна на различные фиксирующие устройства, такие, например, как в патенте США №6144792. Однако каждый изгиб волокна создает анизотропию для распространения поляризованного светового импульса в волокне, так как показатели преломления волокна для распространения излучения с поляризацией вдоль плоскости изгиба и перпендикулярно этой плоскости отличаются на величину Δn=a·(r_clad/r)², r_clad - радиус волокна, r - радиус изгиба, а - константа, зависящая от материала волокна и длины волны излучения. Величина Δn дана для полной окружности с радиусом r. При распространении поляризованного излучения в таком изогнутом волокне компонента поля E_slow светового импульса вдоль оси, перпендикулярной плоскости изгиба (медленной оси), отстает от компоненты поля E_fast светового импульса вдоль плоскости изгиба (быстрой оси). В волоконных лазерах ультракоротких импульсов оптический дихроизм, возникающий на изгибах волокна, приводит к расплыванию поляризационных компонент импульса вдоль быстрой и медленной осей оптического волокна. Такой эффект искажает состояние оптической поляризации, изменяет временной профиль импульса, а также затрудняет реализацию синхронизации мод на эффекте нелинейного вращения эллипса поляризации.

Известен волоконный лазер, патент США №7876495, в котором для компенсации дихроизма, вызванного изгибом оптического волокна, применяется специальное волокно увеличенного диаметра со сложной структурой.

Задачей изобретения является создание волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса, реализующего синхронизацию мод на эффекте нелинейного вращения эллиптической поляризации в световом волокне.

Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса, содержащий лазер накачки, последовательно установленные, образующие кольцевой резонатор и закрепленные на держателе волокна модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллер поляризации, волоконный поляризатор, контроллер поляризации, изолятор, волокно закреплено в держателе оптического волокна так, что при распространении импульса излучения по волокну на каждом витке волокна сдвиг фазы поляризационных компонент поля оптического импульса относительно двух взаимно перпендикулярных осей скомпенсирован. При такой компоновке волокна компенсирован наведенный дихроизм, возникающий вследствие изгибов волокна при намотке. Если на каждом витке фазовый сдвиг для поляризационных компонент оптического импульса вдоль двух взаимно перпендикулярных осей одинаков, создаются условия распространения лазерного импульса без накопления фазового сдвига, как если бы волокно было вытянуто в линию. Это позволяет реализовать синхронизацию мод в волоконном лазере на эффекте нелинейного вращения эллипса поляризации, используя длинный отрезок волокна в компактном устройстве. В настоящее время в коммерческих вариантах волоконных лазеров со сверхкороткой длительностью импульса для синхронизации мод используют пассивный насыщающийся поглотитель и оптическое волокно с поддержкой поляризации. Поскольку в оптическом волокне с поддержкой поляризации нелинейное вращение поляризации отсутствует, получить стабильную импульсную генерацию возможно только с использованием насыщающихся поглотителей, распределенных на локальном участке волокна либо твердотельных, например насыщающихся полупроводниковых зеркал SESAM-ов. Использование в волоконных лазерах эффекта нелинейного вращения эллипса поляризации для импульсного режима генерации позволяет максимально использовать преимущество волоконной схемы резонатора, сократить длительность импульса за счет быстрого времени срабатывания такого нелинейного переключателя, сделать схему лазера более простой и надежной.

Держатель оптического волокна имеет две взаимно перпендикулярные оси, относительно каждой из которых волокно изогнуто с равным радиусом изгиба. Одним из вариантов исполнения волоконного лазера является крепление волокна на держателе с двумя взаимно перпендикулярными осями, вокруг которых волокно изогнуто с одинаковыми радиусами. В таком случае положительный фазовый сдвиг, возникающий между двух взаимно перпендикулярных поляризационных компонент излучения в каждом следующем изгибе намотки, компенсируется аналогичным отрицательным фазовым сдвигом для этих компонент в предыдущем изгибе намотки, что позволяет получить способ намотки волокна без накопления фазового сдвига для поляризационных компонент импульсного излучения, распространяющегося по оптическому волокну.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание компактного надежного волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса.

На фиг.1 показана схема волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса.

На фиг.2 показана схема намотки волокна на держатель волокна в волоконном лазере со сверхкороткой длительностью импульса.

На фиг.1 лазер накачки 1 соединен с модулем ввода излучения лазера накачки в волокно 2, модуль вода излучения лазера накачки в волокно 2, легированное редкоземельным элементом волокно 3, разветвитель 4, контроллер поляризации 5, волоконный поляризатор 6, контроллер поляризации 5, изолятор 7 образуют кольцевой резонатор волоконного лазера. Волоконные элементы лазера закреплены на держателе волокна согласно схеме на фиг.2. Ось Х и ось Z взаимно перпендикулярны. Каждый виток волокна на катушке, представленной на фиг.2, содержит 4 прямых участка 8, изображенных сплошной линией, два полукруглых участка 9, изображенных пунктирной линией, и два полукруглых участка 10, изображенных штрихпунктирной линией. Полукруглые участки 9 волокна представляют собой половину дуги окружности радиуса R в плоскости, перпендикулярной оси X. Участки 10 волокна представляют собой половину дуги окружности радиуса R в плоскости, перпендикулярной оси Z.

При включении лазера накачки 1 излучение через модуль ввода 2 попадает в кольцевой резонатор. При общей длине оптического волокна в несколько метров и средней мощности накачки чуть выше порога свободной генерации лазер переходит в режим импульсной генерации при соответствующей подстройке контроллеров поляризации.

При прохождении импульсом двух участков волокна 9 за счет изгиба в плоскости, перпендикулярной оси X, возникает фазовый сдвиг Δφ₁=(2π/λ)(n_x-n_z)2πr и поляризационные компоненты поля светового импульса вдоль оси Х отстают от поляризационных компонент поля вдоль оси Z. На двух участках волокна 10 за счет изгиба волокна в плоскости, перпендикулярной оси Z, возникающий фазовый сдвиг компенсирует предыдущий: Δφ₂=Δφ₁=(2π/λ)(n_z-n_x)2πr и поляризационные компоненты поля светового импульса вдоль оси Z будут отставать от поляризационных компонент поля светового импульса вдоль оси X. Таким образом, на каждом витке волокна, закрепленного на держателе в соответствии со схемой, представленной на фиг.2, фазового сдвига на одном витке намотки не происходит. Это позволяет использовать эффект нелинейного вращения эллипса поляризации для синхронизации мод волоконного лазера.

1. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса по п.1., отличающийся тем, что держатель оптического волокна имеет две взаимно перпендикулярные оси, относительно каждой из которых волокно изогнуто с равным радиусом изгиба.

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.

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. .

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.

Узкополосный кольцевой волоконный лазер // 2554337

Узкополосный кольцевой волоконный лазер состоит из диода накачки, элемента Пельтье и кольцевого однонаправленного резонатора. Указанный резонатор включает активное волокно, делитель излучения, поляризационный циркулятор, волоконно-оптический изолятор и спектральный уплотнитель с линейной частью в виде насыщающего поглотителя из ненакачиваемого активного волокна и волоконной брэгговской решетки. Активное волокно выполнено с высокой концентрацией легирующей примеси, а волоконно-оптический изолятор расположен между спектральным уплотнителем и поляризационным циркулятором, установленным вместе с делителем излучения с обеспечением встречного направления излучения узкополосного кольцевого волоконного лазера и излучения накачки. Устройство позволило добиться стабильной генерации лазерного излучения. 3 ил.

Способ пассивной синхронизации мод излучения в лазере сверхкоротких импульсов с цельноволоконным оптическим резонатором // 2560750

Изобретение относится к лазерной технике. Способ пассивной синхронизации мод излучения в лазере сверхкоротких импульсов с цельноволоконным оптическим резонатором состоит в использовании эффекта нелинейной эволюции поляризации и укладки витками оптического волокна с формированием скруток и изгибов, не препятствующих распространению по оптическому волокну оптического излучения и создающих двулучепреломление и относительную фазовую задержку компонент поляризации, достаточную для запуска режима пассивной синхронизации мод за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации. Технический результат заключается в обеспечении возможности эффективного преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, при использовании надежной конструкции лазера, не требующей технического обслуживания в процессе эксплуатации и транспортировки. 1 ил.

Волоконный импульсный линейный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения (варианты) // 2564517

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный импульсный линейный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения содержит оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально-селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора. Зеркало резонатора расположено на плоской поверхности прозрачного для излучения лазера оптического элемента с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм, вторая плоская поверхность которого расположена между зеркалом и фокусирующим излучение оптическим элементом и имеет угол наклона более одного градуса к оси резонатора лазера. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации короткоимпульсного излучения в широком спектральном диапазоне без ограничений срока работы лазера. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 7 ил.

Волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения (варианты) // 2564519

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения содержит оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, волоконный модуль спектрального сведения, поляризационно-зависимый ответвитель, поляризационно-зависимый изолятор, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно. Между торцами волокна расположены первый и второй коллиматоры. Все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения. Между коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью, толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации короткоимпульсного излучения с малым уровнем шумов в широком спектральном диапазоне. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 5 ил.

Высокомощный волоконный источник накачки с высокоярким малошумящим выходным излучением в диапазоне длин волн 974-1030 нм // 2591586

Высокомощный сверхъяркий малошумящий источник накачки содержит затравочный источник, который генерирует малошумящий световой сигнал, множество высокомощных полупроводниковых лазерных диодов, объединенных для испускания излучения вспомогательной накачки, и легированный Yb мультимодовый волоконный преобразователь длин волн излучения вспомогательной накачки. При этом излучение накачки имеет уровень шумов, идентичный уровню шумов малошумящего светового сигнала, яркость равна n×В, где n - число высокомощных полупроводниковых лазерных диодов, а B - яркость каждого высокомощного лазерного диода, выходная мощность (Ро), по существу равную nPd, где Pd - мощность каждого высокомощного лазерного диода, а n - их число. Технический результат заключается в устранении нелинейных эффектов, которые ограничивают усиление и качество луча. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.