Цельно-волоконный импульсно-периодический лазер
Владельцы патента RU 2758665:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени Академика Е.И. Забабахина" (RU)
Изобретение относится к устройствам для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующим стимулированное излучение электромагнитных волн, а именно к импульсно-периодическим волоконным лазерам с пассивной модуляцией добротности резонатора. Цельно-волоконный импульсно-периодический лазер содержит активное волокно 1 и 2, например, тулиевое, волоконные Брэгговские решетки 3 и 4 с высоким коэффициентом отражения (HR) и высоким коэффициентом пропускания (НТ), например, с резонансной длиной волны 1977 нм, фильтр оболочных мод 5, объединитель накачки 6, лазерные диодные модули 7, например, на длине волны 793 нм, волоконный вывод излучения 8 и 9 (End-Cap), эмиттер 10, выходное волокно 11, кристаллический наконечник 12, например, кварцевый. Технический результат заключается в повышении эффективности и увеличение выходной мощности лазерного излучения, стабильности импульсно-периодического режима работы лазера. 5 ил.
Изобретение относится к устройствам для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующим стимулированное излучение электромагнитных волн, а именно к импульсно-периодическим волоконным лазерам с пассивной модуляцией добротности резонатора.
Волоконные импульсно-периодические лазеры используются для обработки различного рода материалов для маркировки, гравировки, в медицине, дальнометрии, спектроскопии и других применениях.
Основными преимуществами волоконных импульсно-периодических лазеров перед другими являются: высокое качество излучения, высокая эффективность, компактность и надежность.
Известно техническое решение, описанное в патенте на полезную модель №112520, опубл. 10.01.2012 г., МПК H01S 3/067, под названием «Волоконный лазер», содержащий блок питания и излучатель, включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода и источник диодной накачки, при этом первый выход блока питания электрически связан с входом излучателя, содержащего термодатчик, выход которого электрически связан с входом блока питания, не менее одного электрических нагревательных элементов, силовые выводы которых электрически связаны со вторым выходом блока питания.
К недостаткам этого устройства следует отнести:
- отсутствие описания схемы лазера и его эффективности;
- наличие пластины с несколькими нагревательными элементами для нагрева активного элемента, что усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.
Известна цельно-волоконная лазерная система для генерации лазерных импульсов в режиме пассивной модуляции добротности, описанная в патенте RU №2 548 940, МПК H01S 3/067, опубл. 20.04.2015, содержащая два волоконных резонатора - коротковолновый и длинноволновый, являющиеся резонаторами соответственно коротковолнового и длинноволнового волоконных лазеров, образованных собственными парами волоконных брэгговских решеток, при этом накаченный из вне коротковолновый резонатор является лазером накачки длинноволнового резонатора.
К недостаткам можно отнести генерацию излучения на двух длинах волн и низкую энергию излучения, которая составила 40 мкДж, а пиковая мощность излучения при длительности импульса 105 не составила 317 Вт. Также в изобретении существует необходимость в синхронизации частоты модуляции и мощности тока накачки с частотой следования лазерных импульсов.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте RU №2717254, МПК H01S 3/067, H01S 3/06, опубл. 19.03.2020 под названием «Волоконный лазер для накачки активных элементов», включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода, источник диодной накачки, оборудованный эмиттерами, оптоволоконными объединителями накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брэгговских решеток, волоконный вывод излучения, оснащенный кристаллическим наконечником.
К недостаткам следует отнести возможность работы только в непрерывном режиме.
Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик, а именно осуществление генерации лазерного излучения только на одной длине волны, повышение энергии и пиковой мощности излучения, эффективности и устойчивости импульсно-периодического режима работы.
Технический результат, заключается в обеспечении
- генерации излучения только на одной длине волны;
- повышения выходной мощности излучения;
- повышения стабильности импульсно-периодического режима работы;
- осуществления вывода излучения через активное волокно с инверсией населенностей, обеспечивая усиление излучения;
- накачки активного волокна резонатора люминесценцией волокна, накачку которого осуществляют лазерными модулями, оснащенными эмиттерами.
Указанный технический результат достигается тем, что цельно-волоконный импульсно-периодический лазер, включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода, источник диодной накачки, оборудованный эмиттерами, оптоволоконными объединителями накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брэгговских решеток, волоконный вывод излучения, оснащенный кристаллическим наконечником, согласно изобретению, оборудован не менее чем одним дополнительным источником диодной накачки в виде лазерных модулей, оснащенных эмиттерами, при этом резонатор связан через выходное селективное зеркало с активным волоконным световодом, выполненным в виде активного волокна с инверсией населенностей для обеспечения накачки резонатора и усиления выходного излучения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:
на фиг. 1 представлена схема цельно-волоконного импульсно-периодического лазера;
на фиг. 2 представлен источник диодной накачки;
на фиг. 3 представлен волоконный вывод излучения с кварцевым наконечником;
на фиг. 4 представлен пример осциллограммы последовательности импульсов при использовании тулиевых активных волокон;
на фиг. 5 представлена зависимость частоты следования импульсов от мощности излучения накачки.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 и 2 - активное волокно;
3 и 4 - волоконные брэгговские решетки;
5 - фильтр оболочных мод;
6 - объединитель накачки;
7 - лазерные диодные модули;
8 и 9 - волоконный вывод излучения;
10 - эмиттер;
11 - выходное волокно;
12 - кристаллический наконечник.
Функциональная схема цельно-волоконного импульсно-периодического лазера (фиг. 1) содержит активное волокно 1 и 2, например, тулиевое, волоконные Брэгговские решетки 3 и 4 с высоким коэффициентом отражения (HR) и высоким коэффициентом пропускания (НТ), например, с резонансной длиной волны 1977 нм, фильтр оболочных мод 5, объединитель накачки 6, лазерные диодные модули 7, например, на длине волны 793 нм, волоконный вывод излучения 8 и 9 (End-Cap), эмиттер 10, выходное волокно 11, кристаллический наконечник 12, например, кварцевый.
Накачку активного волокна 1 осуществляют по оболочке лазерными диодными модулями накачки 7, оснащенными эмиттерами 10 (фиг. 2). Для защиты схемы от непоглощенной накачки используют фильтр оболочных мод 5. Ввод излучения накачки осуществляют с помощью объединителя 6. Схема включает в себя участок накачиваемого активного волокна 1 и резонатор, образованный не накачиваемым участком активного волокна 2 и парой брэгговских решеток 3 и 4 с низким и высоким коэффициентом отражения на рабочей длине волны соответственно. Для предотвращения влияния на работу схемы отраженного излучения и снижения плотности мощности излучение из волоконного оптического тракта выводят через волоконный вывод 8 и 9, оснащенный кварцевым наконечником 12 (фиг. 3), приваренным к оптическому волокну 11 (фиг. 3). Устройство работает следующим образом.
Принцип работы предлагаемого технического решения в предложенной схеме основан на модуляции усиления в резонаторе, образованном участком активного не накачиваемого волокна 2 и двумя волоконными брэгговскими решетками 3 и 4 и модуляции усиления в накачиваемом активном волокне 1.
В начальный момент времени в активном волокне 1, накачиваемым модулем накачки 7 через объединитель 6, происходит накопление инверсии и переизлучение в полосе люминесценции активного волокна 1. Поглощение переизлученного излучения в не накачиваемом активном волокне 2 резонатора продолжается до достижения порогового условия возникновения генерации лазерного излучения. Последующая развивающаяся генерация лазерного излучения в не накачиваемом резонаторе носит импульсный характер. Волоконные брэгговские решетки 3 и 4 резонатора располагают таким образом, чтобы излучение генерации было направлено в сторону накачиваемого активного волокна 1. Импульс генерации, распространяющийся через накачиваемый участок активного волокна 1, сопровождается усилением и дополнительным снятием инверсии в активной накачиваемой среде, что позволяет получать высокую эффективность лазера и повышает стабильность работы лазера в импульсном режиме.
На предприятии был проэкспериментирован цельно-волоконный импульсно-периодический лазер, состоящий из тулиевого волокна 1 и 2, источника диодной накачки 7, оборудованного одиночными эмиттерами 10, оптоволоконного объединителя накачки 6, резонатора, образованного селективными зеркалами глухим 3 и выходным 4, выполненными в виде волоконных брегговских решеток 3 и 4 с резонансной длиной волны 1977, волоконного вывода излучения 8 и 9 с кварцевым наконечником 12.
Экспериментальные исследования показали, что предложенная схема цельно-волоконного импульсно-периодического лазера обеспечивает устойчивую генерацию импульсов излучения (фиг. 4). При этом частота следования импульсов зависит от мощности накачки (фиг. 5).
Заявляемое техническое решение позволило уменьшить количество элементов оптического тракта, получить устойчивую и стабильную генерацию лазерного излучения в импульсно-периодическом режиме, при этом усилив излучение в активном волокне, обеспечивающем накачку активного волокна резонатора. Средняя мощность излучения составила 8 Вт, энергия излучения - 88 мкДж, а пиковая мощность при длительности импульса 100 не составила 880 Вт.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность цельно-волоконного импульсно-периодического лазера и способность достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Цельно-волоконный импульсно-периодический лазер, включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода, источник диодной накачки, оборудованный эмиттерами, оптоволоконными объединителями накачки, резонатор, образованный селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брэгговских решеток, волоконный вывод излучения, оснащенный кристаллическим наконечником, отличающийся тем, что он оборудован не менее чем одним дополнительным источником диодной накачки в виде лазерных модулей, оснащенных эмиттерами, при этом резонатор связан через выходное селективное зеркало с активным волоконным световодом, выполненным в виде активного волокна с инверсией населенностей для обеспечения накачки резонатора и усиления выходного излучения.
