Волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов содержит источник накачки, ответвитель ввода излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор длиной ~10 м, включающий в себя активное волокно, устройство нелинейных потерь и ответвитель вывода генерируемого излучения из кольцевого резонатора. В лазер введены дополнительный ответвитель вывода генерируемого излучения из волоконного кольцевого резонатора, пассивное волокно, дополнительный ответвитель ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор. Источник накачки соединен с одним из концов ответвителя ввода излучения накачки, другой конец которого соединен с волоконным кольцевым резонатором. Пассивное волокно одним из своих концов соединено с дополнительным ответвителем вывода излучения из волоконного кольцевого резонатора, а другим своим концом соединено с дополнительным ответвителем ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор. При этом длина пассивного волокна определяется по формуле: L=T⋅υ, где Т - временной интервал между соседними пичками, υ - скорость распространения света в волокне. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения стабильных и воспроизводимых высокоэнергетических импульсов света. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке лазеров с пассивной синхронизацией мод, с высокой энергией выходных световых импульсов, применяемых при зондировании атмосферы, локации, прецизионной обработке материалов, создании сверхсильных световых полей, исследовании быстропротекающих процессов в физике, химии, биологии и т.д.

Известен волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов (S.M. Kobtsev, S.V. Kukarin, S.V. Smirnov, and Y.S. Fedotov, "High-energy mode-locked all-fiber laser with ultralong resonator", Laser Physics. 20, №2, pp. 351-356, 2010). Указанный лазер с энергией импульсов излучения около 4 мкДж, при их длительности ~10 нс, состоит из источника накачки и волоконного кольцевого резонатора, включающего активное волокно длиной ~10 м, служащее для усиления лазерного излучения, и пассивное волокно длиной порядка нескольких километров, служащее для увеличения длины резонатора. Непрерывное излучение накачки, создающее в активном волокне инверсную заселенность, вводится в резонатор через ответвитель ввода излучения, выход которого соединен с входом активного волокна. Имеется также ответвитель вывода генерируемого излучения, соединенный своим входом с выходом волоконного кольцевого резонатора. В разрыв волоконного кольцевого резонатора помещается устройство нелинейных потерь, которое приводит к формированию импульса излучения. Уменьшение частоты следования импульсов в выходном излучении, обусловленное более длинным волоконным кольцевым резонатором, приводит к увеличению их энергии при неизменной средней мощности лазера.

Однако указанный волоконный лазер обладает генерационной особенностью, связанной с потерей устойчивости одноимпульсного режима пассивной синхронизации мод при достаточно больших длинах пассивного волокна. Возникающая неустойчивость проявляется в появлении в волоконном кольцевом резонаторе новых импульсов и в структурировании генерируемого импульса. Эта генерационная особенность приводит к ухудшению качества генерируемых импульсов и препятствует дальнейшему эффективному увеличению их энергии, что является недостатком указанного волоконного лазера. Появление новых импульсов и структурирование генерируемого импульса начинают проявляться при длительности пассивного волокна около 200 м и более.

Кроме того, известен волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов, являющийся прототипом предлагаемого изобретения (A. Hideur, Т. Chattier, М. Brunel, М. Salhi, С. , F. Sanchez, "Mode-lock, Q-switch and CW operation of an Yb-doped double-clad fiber ring laser", Optics Communications. 198, pp. 141-146, 2001). Указанный лазер состоит из источника накачки и волоконного кольцевого резонатора длиной ~10 м, включающего в себя активное волокно, активированное иттербием, служащее для усиления лазерного излучения, и устройство нелинейных потерь, обеспечивающее работу лазера в режиме регулярных незатухающих пичков. Непрерывное излучение источника накачки, создающее в активном волокне инверсную заселенность, вводится в резонатор через специальную систему ввода. Имеется также система вывода части генерируемого излучения из резонатора. Нелинейные потери, создаваемые устройством нелинейных потерь, приводят к неустойчивости режима непрерывной генерации и реализации режима регулярных незатухающих пичков. Выходное излучение лазера представляет собой регулярную последовательность импульсов. Длительность импульса ~1 мкс, энергия импульса ~5 мкДж, расстояние между соседними импульсами ~8.3 мкс.

Однако указанный волоконный лазер, работающий в режиме регулярных незатухающих пичков, а не в режиме пассивной синхронизации мод, обладает недостатком, связанным с тем, что каждый генерируемый пичок формируется из начального затравочного поля, роль которого играет внутрирезонаторное спонтанное излучение (Я.И. Ханин, "Основы динамики лазеров", Раздел 3.2.3. - М.: Наука, Физматлит. 368 с. 1999; A. Komarov, Н. Leblond, F. Sanchez, "Theoretical analysis of the operating regime of a passively mode-locked fiber laser through nonlinear polarization rotation", Phys. Rev. A. 72, pp. 063811(7), 2005), в результате чего в каждом импульсе выходного цуга возникает своя, не зависящая от предыстории, случайная, невоспроизводимая пространственно-временная структура поля. Такая стохастизация генерируемых импульсов вызвана стохастичностью внутрирезонаторного спонтанного излучения, являющегося начальным затравочным полем, из которого формируется каждый пичок. Как следствие, эти импульсы не являются стабильными и воспроизводимыми.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является получение стабильных и воспроизводимых высокоэнергетических импульсов света.

Поставленная задача решается посредством того, что в волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов, содержащий источник накачки, ответвитель ввода излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор длиной ~10 м, включающий в себя активное волокно, устройство нелинейных потерь и ответвитель вывода генерируемого излучения из кольцевого резонатора, введены пассивное волокно определенной длины, дополнительный ответвитель вывода излучения из волоконного кольцевого резонатора, дополнительный ответвитель ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор, при этом пассивное волокно одним из своих концов соединено с дополнительным ответвителем вывода излучения из волоконного кольцевого резонатора, а другим своим концом соединено с дополнительным ответвителем ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого волоконного лазера для генерации высокоэнергетических световых импульсов света.

Предлагаемый волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов содержит источник накачки 1 ИН, ответвитель ввода излучения накачки 2, волоконный кольцевой резонатор длиной ~10 м, включающий в себя активное волокно 3, устройство нелинейных потерь 4 УНП и ответвитель вывода генерируемого излучения из кольцевого резонатора 5, а также дополнительный ответвитель 6 вывода генерируемого излучения из волоконного кольцевого резонатора, пассивное волокно определенной длины 7, дополнительный ответвитель 8 ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор.

При этом источник накачки 1 ИН соединен с одним из концов ответвителя ввода излучения накачки 2, другой конец которого соединен с волоконным кольцевым резонатором длиной ~10 м, который включает в себя активное волокно 3, устройство нелинейных потерь 4 УНП и ответвитель вывода генерируемого излучения из кольцевого резонатора 5, причем пассивное волокно 7 одним из своих концов соединено с дополнительным ответвителем 6 вывода излучения из волоконного кольцевого резонатора, а другим своим концом соединено с дополнительным ответвителем 8 ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор.

Предлагаемый волоконный лазер работает следующим образом. В кольцевом резонаторе, содержащем активное волокно 3, активированное ионами редкоземельных металлов, служащее в качестве усилителя, и устройство нелинейных потерь 4 УНП, формируется излучение в виде регулярных незатухающих пичков. Часть излучения каждого такого пичка через дополнительный ответвитель 6 вывода генерируемого излучения из волоконного кольцевого резонатора направляется в пассивное волокно 7 и затем через дополнительный ответвитель 8 ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор вновь попадает в волоконный кольцевой резонатор, содержащий активное волокно 3. Длина пассивного волокна подбирается такой, чтобы время прохождения импульса по нему совпадало бы с временным интервалом между соседними пичками, генерируемыми в волоконном кольцевом резонаторе, и соответственно, определяется по формуле:

L=T⋅υ,

где Т - временной интервал между соседними пичками, являющийся характеристикой волоконного лазера, работающего в режиме регулярных незатухающих пичков, и определяющийся стандартными методами измерений,

υ=2⋅108 м/с - скорость распространения света в волокне.

В результате, каждый последующий пичок в волоконном кольцевом резонаторе будет рождаться из затравочного излучения предыдущего пичка (доля излучения, возвращаемого через пассивное волокно в волоконный кольцевой резонатор, содержащий активное волокно 3, должна быть такой, чтобы влияние стохастического спонтанного излучения на формирование очередного пичка было пренебрежимо малым). Возникающая таким образом преемственность характеристик каждого последующего и предыдущего пичков обеспечивает режим пассивной синхронизации мод в предлагаемом лазере и устраняет стохастизацию формируемых импульсов, связанную со спонтанным излучением, то есть обеспечивает воспроизводимость и стабильность генерируемых высокоэнергетических импульсов света. Отметим, что для параметров лазера, являющегося прототипом предлагаемому волоконному лазеру для генерации высокоэнергетических световых импульсов, длина L пассивного волокна 7 должна составлять величину около 1.66 км, найденную по формуле L=T⋅υ, где временной интервал между соседними пичками Т=8.3 мкс. Поскольку временной интервал Т между соседними пичками зависит от мощности накачки, то, меняя эту мощность, можно прецизионно согласовывать межпичковый интервал с временем прохода импульса по пассивному волокну 7. В предложенном волоконном лазере для генерации высокоэнергетических световых импульсов реализуется гибридизация режима регулярных незатухающих пичков и режима пассивной синхронизации лазерных мод.

В случае использования сверхдлинных кольцевых резонаторов для генерации высокоэнергетических световых импульсов (см. работу: S.M. Kobtsev, S.V. Kukarin, S.V. Smirnov, and Y.S. Fedotov, "High-energy mode-locked all-fiber laser with ultralong resonator", Laser Physics. 20, №2, pp. 351-356, 2010), по протяженному пассивному волокну распространяется высокоэнергетический генерируемый импульс, что приводит к значительным нелинейным эффектам, способствующим фрагментации формируемого импульса, ухудшающей его качество. В предлагаемом варианте волоконного лазера для генерации высокоэнергетических световых импульсов, по пассивному волокну 7 распространяется импульс с существенно меньшей интенсивностью, что исключает проявление этих нелинейных эффектов. Нелинейный механизм формирования световых импульсов, в предлагаемом волоконном лазере для генерации высокоэнергетических световых импульсов, существенным образом связан с насыщением усиления. При этом для параметров волоконного лазера, являющегося прототипом данного устройства, энергия отдельного импульса равна энергии отдельного генерируемого пичка и составляет величину ~5 мкДж. Кроме того, в предлагаемом волоконном лазере для генерации высокоэнергетических световых импульсов имеются значительные потенциальные возможности для дальнейшего увеличения энергии генерируемых импульсов при сохранении их стабильности и воспроизводимости. Так при переходе от режима регулярных незатухающих пичков к режиму регулярных гигантских импульсов энергия генерируемых импульсов может быть значительно увеличена.

Таким образом, посредством использования в волоконном лазере для генерации высокоэнергетических световых импульсов, работающем в режиме регулярных незатухающих пичков, вывода через дополнительный ответвитель 6 вывода генерируемого излучения из волоконного кольцевого резонатора определенной части генерируемого излучения и пропускания его через пассивное волокно 7 с временем прохождения импульса по нему, совпадающим с временным интервалом между соседними пичками, с последующей подачей этого излучения в волоконный кольцевой резонатор через дополнительный ответвитель 8 ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор, достигается формирование стабильных и воспроизводимых высокоэнергетических импульсов света.

Волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов, содержащий источник накачки, ответвитель ввода излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор длиной ~10 м, включающий в себя активное волокно, устройство нелинейных потерь и ответвитель вывода генерируемого излучения из кольцевого резонатора, отличающийся тем, что в него введены дополнительный ответвитель вывода генерируемого излучения из волоконного кольцевого резонатора, пассивное волокно, дополнительный ответвитель ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор, причем источник накачки соединен с одним из концов ответвителя ввода излучения накачки, другой конец которого соединен с волоконным кольцевым резонатором, а пассивное волокно одним из своих концов соединено с дополнительным ответвителем вывода излучения из волоконного кольцевого резонатора, а другим своим концом соединено с дополнительным ответвителем ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор, при этом длина пассивного волокна определяется по формуле:

L=T⋅υ,

где Т - временной интервал между соседними пичками,

υ - скорость распространения света в волокне.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения и касается лазерного гироскопа с компенсацией составляющей, вносимой виброподставкой. Лазерный гироскоп (ЛГ) содержит кольцевой лазер (КЛ), устройство виброподставки, блок обработки сигналов КЛ, выход которого подключен к блоку компенсации, датчик параметров относительных крутильных колебаний КЛ в виде оптико-электронной системы определения положения КЛ.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области преобразования параметров вращения в электрический сигнал с помощью гироскопов, в которых чувствительным элементом служит кольцевой лазер, и может быть использовано, например, в системах навигации.

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.

Изобретение относится к гироскопам и измерительной технике и может быть использовано для регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа. Система содержит фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного пьезоприводом и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор.

Лазерная система одномодового одночастотного излучения содержит систему поворотных зеркал, установленных с возможностью образования кольцевого резонатора и по меньшей мере одной дополнительной петли излучения в нём.

Изобретение касается отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов по величине порога зоны нечувствительности (порога захвата) и значениям нелинейных искажений масштабного коэффициента.

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.

Оптический кольцевой резонатор может быть использован в качестве чувствительного элемента оптических гироскопов, в частности микрооптического гироскопа. Оптический кольцевой резонатор содержит не менее трех отражающих поверхностей, взаимное расположение которых обеспечивает циркуляцию света по замкнутому контуру.

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к лазерным гироскопам и предназначено для увеличения срока службы трехосного гироскопа. .

Изобретение относится к лазерной технике. Способ возбуждения импульсов лазерных систем генератор-усилитель на самоограниченных переходах включает в себя подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения на генератор и усилитель с возможностью временного сдвига между ними, при которых импульс излучения либо гасится, либо усиливается.

Способ включает предварительный расчет количества слоев пленкообразующих материалов - диоксида циркония и диоксида кремния для длин волн 1,351 мкм и 1,54 мкм и введение рассчитанных данных и длин волн в фотометрическое устройство вакуумной установки, нанесение на одну поверхность подложек и первого контрольного образца зеркального покрытия в виде чередующихся равнотолщинных четвертьволновых слоев пленкообразующих материалов, первый слой выполняют из диоксида циркония, защитный слой - из диоксида кремния, с контролем толщины каждого слоя фотометрическим устройством вакуумной установки по изменению коэффициента пропускания первого контрольного образца на длине волны 1,067 мкм, нанесение на обратную поверхность подложек и поверхность второго контрольного образца слоев пленкообразующих материалов, рассчитанных для другой из указанных длин волн с контролем толщины слоев по изменению коэффициента пропускания второго контрольного образца на длине волны 1,067 мкм.

Изобретение относится к лазерной технике. Кислородный лазерный излучатель содержит генератор синглетного кислорода, имеющий корпус, в котором содержится щелочной раствор перекиси водорода (ЩРПВ), и вращающийся диск, который вращается в корпусе и инжекционную трубку, подающую газообразный хлор, реагирующий с раствором ЩРПВ на поверхности вращающегося диска, в верхнее пространство в корпусе для генерации синглетного кислорода.

Способ вывода из осаждённого из газовой фазы алмаза электромагнитного излучения центров окраски, в котором у поверхности алмазного образца формируется собирающая излучение центров окраски оптическая система, состоящая из конуса с круглым основанием из оптического стекла, окружающего конус конического зеркала и собирающей линзы.

Группа изобретений относится к лазерной технике. Лазер для генерации импульсного светового пучка содержит выходное зеркало, выполненное с возможностью отражения отраженной части импульсного светового луча обратно в лазер и для добавления к выходящей из лазера части импульсного светового пучка.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллических материалов для лазерной техники, предназначенных для модуляции добротности лазерного излучения (пассивным лазерным затворам - ПЛЗ).

Изобретение относится к способу формирования синхронных последовательностей ультракоротких лазерных импульсов и к фемтосекундному лазерному комплексу. Способ формирования синхронных последовательностей ультракоротких лазерных импульсов, имеющих разные длины волн, заключается в том, что: генерируют первую последовательность ультракоротких лазерных импульсов; используют первую последовательность в качестве источника накачки для генерирования второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов; отслеживают смещение спектра генерации второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов и (или) определяют величину фазового рассогласования первой и второй последовательностей ультракоротких импульсов и выдают корректирующий сигнал для устранения смещения спектра и (или) для минимизации величины фазового рассогласования с целью подстройки частоты следования импульсов второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления резонаторных зеркал для импульсных твердотельных лазеров. Способ включает расчет количества и толщин слоев пленкообразующих материалов по программе «OptiLayer» для длины волны 1,351 мкм, введение рассчитанных данных и длины волны 1,351 мкм в фотометрическое устройство AOS 3S вакуумной установки, подготовку стеклянной подложки, обезгаживание пленкообразующих материалов, нанесение на одну сторону подложки зеркального покрытия для длины волны 1,351 мкм в виде чередующихся неравнотолщинных слоев диоксида циркония и диоксида кремния и защитного слоя из диоксида кремния путем электронно-лучевого испарения в вакуумной установке с контролем толщины каждого слоя по изменению коэффициента пропускания на длине волны 1,067 мкм.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к медицинской лазерной технике и лазерной хирургии биотканей. Осуществляют рассечение биоткани лазерным излучением с использованием двух длин волн.

Изобретение относится к многолучевому источнику лазерного излучения и устройству для лазерной обработки материалов. Многолучевой источник состоит из задающего генератора и многоканального усилителя.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный задающий генератор содержит источник накачки и резонатор, состоящий из двух волоконных частей - активной нелинейной петли и длинной линейной части, соединяющихся посредством четырехпортового волоконного ответвителя; активная петля образует нелинейное петлевое зеркало и отрезок активного волокна, длинная линейная часть содержит длинный отрезок пассивного волокна, одним концом соединенный с фарадеевским зеркалом; согласно изобретению для обеспечения стабильного режима генерации импульсного излучения с высокой энергией импульсов (более 4 мкДж) и высоких средних мощностей излучения в длинную линейную часть резонатора дополнительно введена петля внутрирезонаторного распределения мощности, состоящая из регулируемого ослабителя мощности, дополнительного отрезка активного волокна, дополнительного волоконного объединителя длин волн с дополнительным источником накачки, оптического изолятора, двух волоконных поляризационных делителей, имеющих минимум по три волоконных порта.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов содержит источник накачки, ответвитель ввода излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор длиной ~10 м, включающий в себя активное волокно, устройство нелинейных потерь и ответвитель вывода генерируемого излучения из кольцевого резонатора. В лазер введены дополнительный ответвитель вывода генерируемого излучения из волоконного кольцевого резонатора, пассивное волокно, дополнительный ответвитель ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор. Источник накачки соединен с одним из концов ответвителя ввода излучения накачки, другой конец которого соединен с волоконным кольцевым резонатором. Пассивное волокно одним из своих концов соединено с дополнительным ответвителем вывода излучения из волоконного кольцевого резонатора, а другим своим концом соединено с дополнительным ответвителем ввода излучения в волоконный кольцевой резонатор. При этом длина пассивного волокна определяется по формуле: LT⋅υ, где Т - временной интервал между соседними пичками, υ - скорость распространения света в волокне. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения стабильных и воспроизводимых высокоэнергетических импульсов света. 1 ил.

Наверх