Рамановский волоконный импульсный лазер



Рамановский волоконный импульсный лазер
Рамановский волоконный импульсный лазер
Рамановский волоконный импульсный лазер

 


Владельцы патента RU 2548394:

Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" (ООО "Техноскан-Лаб") (RU)

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.

 

Настоящее изобретение относится к лазерам - приборам для генерации когерентных электромагнитных волн и промышленно применимо в устройствах и системах, использующих лазерное излучение.

Из существующего уровня техники известен волоконный кольцевой эрбиевый лазер с синхронизацией мод излучения, реализованной с помощью внутрирезонаторной амплитудной модуляции излучения на частоте, равной межмодовому интервалу резонатора лазера (J.D. Kafka et al. Mode-locked erbium-doped fiber laser with soliton pulse shaping. Opt. Lett., 14 (22), pp. 1269-1271 (1989)). Недостатком данного технического решения является то, что спектральный диапазон излучения импульсов ограничен рабочим спектральным диапазоном эрбиевого лазера, ширина этого спектрального диапазона составляет в лучшем случае несколько десятков нанометров вблизи длины волны 1550 нм, этот относительно узкий рабочий спектральный диапазон задан характеристиками используемой активной среды - световода, легированного ионами эрбия. Кроме того, используемое в резонаторе лазера волокно без поддержки поляризации излучения не подавляет эффект нелинейной эволюции поляризации излучения (V.J. Matsas et al. Self-starting passively mode-locked fibre ring soliton laser exploiting nonlinear polarisation rotation. Electron. Lett. 28, 1391 (1992)), который инициирует пассивную синхронизацию мод излучения и проявляется одновременно с активной синхронизацией мод излучения. Неконтролируемая паразитная пассивная синхронизация мод излучения вносит нестабильность в генерацию лазера в режиме активной синхронизации мод излучения, что проявляется в существенно более увеличенном временном ″дрожании″ импульсов и в существенно более увеличенной амплитудной нестабильности импульсов излучения, которая может приводить даже к пропаданию отдельных импульсов из их последовательности.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является волоконный лазер с активной синхронизацией мод излучения с использованием динамически перестраиваемого оптического фильтра и элемента обратной связи для автоподстройки скорости спектральной перестройки полосы пропускания оптического фильтра (патент ЕР 2264841 А2, опубл. 22.12.2010, Bulletin 2010/51). Синхронизация мод излучения в этом лазере осуществляется за счет свипирования линии генерации лазера с частотой, зависящей от времени обхода резонатора лазера. Данное решение предусматривает (как вариант) использование в резонаторе лазера поддерживающих поляризацию излучения элементов и элемента, задающего поляризацию излучения, - поляризационно-зависимого ответвителя, а также рамановской усиливающей среды. Недостатком этого технического решения является необходимость использования относительно длинного резонатора лазера для того, чтобы понизить частоту свипирования до такой, с какой может перестраиваться спектрально-селективный перестраиваемый фильтр (не более 1 МГц: C.M. Eigenwillig et al. Picosecond pulses from wavelength-swept continuous-wave Fourier domain mode-locked lasers. Nature Communications, 4, article number: 1848 (2013)). Это ограничивает частоту повторения импульсов этого лазера величиной 1 МГц.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компактного рамановского волоконного импульсного лазера с частотой следования когерентных импульсов более 1 МГц при одновременном существенном улучшении некоторых ключевых параметров излучения: как минимум в несколько раз уменьшеном временном ″дрожании″ импульсов и как минимум в несколько раз уменьшеной амплитудной нестабильности импульсов излучения. Высокая частота следования импульсов излучения (>1 МГц) позволяет реализовать принципиально иной механизм взаимодействия излучения с веществом - абляцию при взаимодействии излучения с поверхностью твердого тела и фотомодификацию материала при взаимодействии с объемной прозрачной средой. Кроме того, рамановская среда в качестве усиливающей среды позволяет получать аналогичные параметры излучения в широком спектральном диапазоне за счет применения излучения накачки с различными длинами волн, а также за счет использования излучения различных стоксовых компонент вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

Данная задача решается за счет того, что в известном рамановском волоконном импульсном лазере, содержащем 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 вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния, минимум один 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, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, минимум один изолятор, обеспечивающий однонаправленную генерацию излучения, согласно изобретению в резонатор лазера введен элемент активной синхронизации мод излучения на основе амплитудного или фазового модулятора.

В частности, в качестве рамановского усиливающего волокна может быть использовано как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

В частности, источником излучения накачки рамановского импульсного лазера может служить рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образуют две волоконные брэгговские решетки, имеющие перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающие излучение первой стоксовой компоненты вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

В частности, источником излучения накачки рамановского импульсного лазера могут служить два рамановских лазера при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонаторы двух рамановских лазеров образуют четыре волоконные брэгговские решетки, имеющие перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающие излучение первой и второй стоксовых компонент вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

В частности, для уменьшения длительности генерируемых лазерных импульсов могут быть использованы электрические импульсы, управляющие элементом активной синхронизации мод, длительность которых не превышает длительность генерируемых импульсов.

Из уровня техники не известно устройство, имеющее совокупность заявляемых признаков, т.е. оно обладает новизной.

Признаки, указанные в описании и формуле прототипа, не позволяют достичь заявляемого технического результата. Лазеры с синхронизацией мод излучения на основе спектрального свипирования линии генерации (Fourier domain mode-locked laser, FDML) не способны свипировать линию генерации в широком диапазоне (5-10 нм и более) с частотой более 1 МГц, поэтому частота следования импульсов этих лазеров ограничена величиной 1 МГц. Для уменьшения частоты свипирования линии генерации в FDML-лазерах используются длинные резонаторы (длиной более 1 км) с межмодовой частотой менее 1 МГц. Значительное увеличение длины резонатора волоконного лазера с синхронизацией мод излучения приводит к тому, что в таком резонаторе преимущественно реализуется режим генерации цугов импульсов (пико- или наносекундных), заполненных стохастической последовательностью более коротких импульсов (S. Smirnov et al. Three key regimes of single pulse generation per round trip of all-normal-dispersion fiber lasers mode-locked with nonlinear polarization rotation. Optics Express, Vol.20, Issue 24, pp. 27447-27453 (2012)). Эти некогерентные импульсы, часто называемые в литературе ″шумоподобными″ (″noise-like″), имеют очень ограниченную область применения в силу их специфичной структуры, а также в силу нестабильности параметров импульсов, вызванной стохастическим наполнением цугов - увеличенного временного ″дрожания″ импульсов, достигающего нескольких процентов от межимпульсного временного интервала, и увеличенной амплитудной нестабильности импульсов излучения, достигающей нескольких десятков процентов.

Активная синхронизация мод излучения позволяет реализовать режим генерации когерентных импульсов с мегагерцовой и более частотой повторения, имеющих существенно более широкую область применения и обладающих существенно более стабильными параметрами излучения - временное ″дрожание″ импульсов не превышает одного процента от межимпульсного временного интервала, амплитудная нестабильность импульсов излучения не превышает нескольких процентов.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является достижение в компактном рамановском волоконном импульсном лазере частоты следования когерентных импульсов более 1 МГц при одновременном существенном улучшении некоторых ключевых параметров излучения: как минимум в несколько раз уменьшеном временном ″дрожании″ импульсов и как минимум в несколько раз уменьшеной амплитудной нестабильности импульсов излучения. Кроме того, использование рамановской усиливающей среды позволяет преобразовывать спектр излучения - смещать его в длинноволновую область спектра, соответствующую излучению первого или более высокого стоксового компонента вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

Необходимо отметить, что ни одно отдельно взятое устройство не дает такого эффекта, какой дает совокупность заявленных признаков. До подачи данной заявки было неочевидно, что совокупность заявленных признаков позволит решить задачу создания компактного рамановского волоконного импульсного лазера с частотой следования когерентных импульсов более 1 МГц при одновременном существенном улучшении некоторых ключевых параметров излучения: как минимум в несколько раз уменьшеном временном ″дрожании″ импульсов и как минимум в несколько раз уменьшеной амплитудной нестабильности импульсов излучения.

Сущность изобретения поясняется следующими схемами.

На фиг. 1 представлена схема рамановского волоконного импульсного лазера: 1 - источник излучения накачки, 2 - волоконный модуль спектрального сведения, 3 - рамановское усиливающее волокно, 4 - элемент активной синхронизации мод, 5 - изолятор, 6 - поляризационно-зависимый ответвитель, 7 - выходное изучение лазера.

На фиг. 2 представлена схема рамановского волоконного импульсного лазера, в котором источником излучения накачки рамановского волоконного импульсного лазера служит рамановский лазер, резонатор которого образуют две волоконные брэгговские решетки 8, отражающие излучение первой стоксовой компоненты вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

На фиг. 3 представлена схема рамановского волоконного импульсного лазера, в котором источником излучения накачки рамановского волоконного импульсного лазера служат два рамановских лазера, резонаторы которых образуют четыре волоконные брэгговские решетки, отражающие излучение первой (решетки 8) и второй (решетки 9) стоксовых компонент вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

Работает устройство следующим образом:

излучение накачки, генерируемое источником 1 оптического излучения накачки, через волоконный модуль спектрального сведения 2 попадает в рамановское усиливающее волокно 3; генерация лазера осуществляется в кольцевом резонаторе, однонаправленный режим генерации обеспечивается изолятором 5, для вывода излучения из резонатора служит поляризационно-зависимый ответвитель 6, который также выполняет функция поляризатора излучения. Синхронизация мод излучения лазера производится элементом активной синхронизации мод излучения 4 на основе амплитудного или фазового модулятора. Для устранения паразитного влияния эффекта нелинейной эволюции поляризации все элементы резонатора выполнены из поддерживающего поляризацию излучения волокна. Лазер генерирует импульсы излучения в спектральной области, соответствующей спектру излучения первой стоксовой компоненты вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния относительно спектра излучения накачки.

При использовании схемы рамановского волоконного импульсного лазера, в котором источником излучения накачки рамановского волоконного импульсного лазера служит рамановский лазер, резонатор которого образуют две волоконные брэгговские решетки 8, отражающие излучение первой стоксовой компоненты вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния, лазер генерирует импульсы излучения в спектральной области, соответствующей спектру излучения второй стоксовой компоненты вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния относительно спектра излучения накачки.

При использовании схемы рамановского волоконного импульсного лазера, в котором источником излучения накачки рамановского волоконного импульсного лазера служат два рамановских лазера, резонаторы которых образуют четыре волоконные брэгговские решетки, отражающие излучение первой (решетки 8) и второй (решетки 9) стоксовых компонент вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния, лазер генерирует импульсы излучения в спектральной области, соответствующей спектру излучения третьей стоксовой компоненты вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния относительно спектра излучения накачки.

При использовании схемы рамановского волоконного импульсного лазера, в котором источником излучения накачки рамановского волоконного импульсного лазера служат один или два рамановских лазера, их резонаторы могут быть образованы отражающими волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи.

Для уменьшения длительности генерируемых импульсов необходимо использовать электрические импульсы, управляющие элементом активной синхронизации мод, длительность которых не превышает длительность генерируемых импульсов.

1. Рамановский волоконный импульсный лазер, содержащий 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 вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния, минимум один 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, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, минимум один изолятор, обеспечивающий однонаправленную генерацию излучения, отличающийся тем, что в резонатор лазера введен элемент активной синхронизации мод излучения на основе амплитудного или фазового модулятора.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рамановского усиливающего волокна может быть использовано как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения накачки рамановского импульсного лазера может служить рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образуют две волоконные брэгговские решетки, имеющие перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающие излучение первой стоксовой компоненты вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения накачки рамановского импульсного лазера могут служить два рамановских лазера при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонаторы двух рамановских лазеров образуют четыре волоконные брэгговские решетки, имеющие перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающие излучение первой и второй стоксовых компонент вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния.

5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что длительность электрических импульсов, управляющих элементом активной синхронизации мод излучения, меньше длительности генерируемых импульсов.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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 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.

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.

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.

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 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.
Наверх