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

Изобретение относится к области лазерной волоконной техники, в частности к области создания новых типов активных лазерных сред. Устройство представляет собой многоэлементное волокно для источника лазерного излучения, включающее активное волокно, содержащее световедущую жилу, легированную по меньшей мере одним типом редкоземельного элемента, и светоотражающую оболочку. Кроме того, по меньшей мере, один световод накачки, находящийся в оптическом контакте с активным волокном, при этом стеклянное активное волокно и стеклянный световод накачки покрыты, по меньшей мере, одним слоем полимерной оболочки. Вокруг полимерной оболочки оптического волокна намотана металлическая проволока или лента. Технический результат – стабилизация эффективности генерации волоконного лазера. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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.

1. Многоэлементное волокно для источника лазерного излучения, включающее активное волокно, содержащее световедущую сердцевину, легированную, по меньшей мере, одним типом редкоземельного элемента, и светоотражающую оболочку, и, по меньшей мере, один световод накачки, находящийся в оптическом контакте с активным волокном, при этом стеклянное активное волокно и стеклянный световод накачки покрыты, по меньшей мере, одним слоем полимерной оболочки, отличающееся тем, что вокруг полимерной оболочки оптического волокна намотана металлическая проволока или лента.

2. Многоэлементное волокно для источника лазерного излучения по п. 1, отличающееся тем, что металлическая проволока или лента выполнена в виде единого отрезка.

3. Многоэлементное волокно для источника лазерного излучения по п. 1, отличающееся тем, что металлическая проволока или лента представляет собой отдельные отрезки.

4. Многоэлементное волокно для источника лазерного излучения по п. 1, отличающееся тем, что поверх металлической проволоки или ленты нанесено полимерное покрытие.

5. Многоэлементное волокно для источника лазерного излучения по п. 2 или 3, отличающееся тем, что к концам проволоки или ленты подключено устройство для измерения электрического сопротивления.

6. Многоэлементное волокно для источника лазерного излучения по п. 2, отличающееся тем, что на проволоке или ленте, намотанной на оптическое волокно, сделано несколько выводов, к которым подключены устройства для измерения сопротивления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области лазерной техники и предназначено для обеспечения устойчивой генерации лазерных импульсов фемто-пикосекундного диапазона. Реализована схема с кольцевым волоконным лазером с пассивной синхронизацией мод на эффекте нелинейной эволюции поляризации, содержащая поляризующий оптический изолятор, активное волокно, накачиваемое лазерным диодом, два управляемых микроконтроллером оптических волоконных поляризационных контроллера.

Твердотельный активный элемент состоит из лазерных пластин, расположенных последовательно в один ряд или несколько параллельных рядов. Каждая пластина содержит два неактивных слоя, которые примыкают к продольным узким граням, и активный слой, встроенный с оптическим контактом между неактивными слоями.

Изобретение относится к лазерной технике. Синхронно-накачиваемый рамановский полностью волоконный импульсный лазер на основе кварцевого оптоволокна, легированного оксидом фосфора, содержит линейный резонатор, образованный двумя брэгговскими решетками, одна брэгговская решетка резонатора полностью отражает излучение первого стоксового компонента рамановского рассеяния оксида фосфора, а другая решетка отражает его частично для вывода излучения из резонатора.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Изобретение относится к волоконно-оптическим кабелям с электрическими проводниками. Кабель включает в себя оптическое волокно, оболочку, окружающую оптическое волокно, и упрочняющий слой, расположенный между оптическим волокном и оболочкой.

Изобретение относится к области электротехники. Оптический кабель, встроенный в сталеалюминиевый провод, в котором стальной сердечник изготовлен из стальных высокопрочных оцинкованных проволок диаметром 1,0÷5,0 мм каждая и содержит центральную трубку, выполненную из теплозащитного и высокопрочного композиционного материала с оптическими волокнами и гидрофобным компаундом.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в комбинированных конструкциях симметричных и оптических кабелей связи при сооружении сетей доступа офисного типа, сети общего пользования и специальных частных сетей.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям грозозащитных и фазовых проводов высоковольтных воздушных линий электропередачи с использованием их в качестве телекоммуникационной сети на основе оптоволоконной технологии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в конструкциях оптических кабелей связи при сооружении волоконно-оптических линий связи.

Изобретение относится к кабелям с двойной функцией - заземляющих проводников и оптических телекоммуникационных кабелей. .

Изобретение относится к комбинированным скважинным кабелям. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям грозозащитных тросов, изготавливаемых свивкой стальных проволок с встроенным оптическим кабелем, и может быть использовано для подвески на воздушных линиях электропередач для защиты от прямых ударов молнии и для оптической связи по кабелям, встроенным в грозозащитный трос.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в конструкциях оптических кабелей связи при сооружении волоконно-оптических линий связи.

Изобретение относится к волоконно-оптической технике, в частности к области технологии изготовления волоконно-оптических модулей, и кабельным машинам. .

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение контрастности, яркости экрана и равномерности освещения.

Изобретение относится к области лазерной волоконной техники, в частности к области создания новых типов активных лазерных сред. Устройство представляет собой многоэлементное волокно для источника лазерного излучения, включающее активное волокно, содержащее световедущую жилу, легированную по меньшей мере одним типом редкоземельного элемента, и светоотражающую оболочку. Кроме того, по меньшей мере, один световод накачки, находящийся в оптическом контакте с активным волокном, при этом стеклянное активное волокно и стеклянный световод накачки покрыты, по меньшей мере, одним слоем полимерной оболочки. Вокруг полимерной оболочки оптического волокна намотана металлическая проволока или лента. Технический результат – стабилизация эффективности генерации волоконного лазера. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх