ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО С ДВУМЯ СЕРДЦЕВИНАМИ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С ДВУМЯ СЕРДЦЕВИНАМИ И ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДВУМЯ СЕРДЦЕВИНАМИ Российский патент 1999 года по МПК H01S3/06 H01S3/94 H01S3/02 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическому волокну с двумя сердцевинами согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

Изобретение относится также к способу изготовления оптического волокна с двумя сердцевинами согласно ограничительной части п. 5 формулы изобретения.

Изобретение относится, кроме того, к волоконному лазеру с двумя сердцевинами согласно ограничительной части п. 8 формулы изобретения.

Изобретение относится также к волоконному усилителю согласно ограничительной части п. 12 формулы изобретения.

Изобретение может найти применение, например при оптической передаче информации, в лазерной технике, лазерной измерительной технике, медицинской технике и при воспроизведении изображений с помощью лазерного излучения.

Известный уровень техники
Из "Optics Letters", т. 20, N 6, с. 578-580 известен двухсердцевинный волоконный лазер с сердцевиной накачки круглого поперечного сечения, в центре которого расположена окруженная оболочкой лазерная сердцевина. Недостаток этого известного двухсердцевинного волоконного лазера состоит в том, что в центральной лазерной сердцевине поглощается лишь часть излучения накачки, поскольку внутри сердцевины накачки образуются так называемые спиральные лучи, которые не пересекают лазерную сердцевину и вследствие этого не поглощаются.

Из патента США 4815079 известен двухсердцевинный волоконный лазер с круглой сердцевиной накачки и ацентрично расположенной лазерной сердцевиной. Этот двухсердцевинный волоконный лазер сложен в изготовлении и, кроме того, проявляет тенденцию эллипсообразно деформироваться в поперечном сечении. Далее, из этого патента известен двухсердцевинный волоконный лазер с имеющей прямоугольное поперечное сечение сердцевиной накачки и центрально расположенной лазерной сердцевиной. Изготовление такого двухсердцевинного волоконного лазера также сопряжено с большими затратами. На ребрах сердцевины накачки имеют место потери излучения накачки, а ввод этого излучения накачки в световод из диодных лазеров по причине прямоугольной геометрии значительно труднее, чем в случае волоконных лазеров с круглым поперечным сечением. Кроме того, волоконные лазеры с прямоугольным поперечным сечением несовместимы со стандартными волоконно-оптическими компонентами.

Задача изобретения
В основу изобретения была положена задача разработать новое оптическое волокно с двумя сердцевинами, более простое в изготовлении, обладающее повышенной эффективностью в режиме усилителя и совместимое со способами изготовления оптических волокон и стандартными компонентами. Задачей изобретения, кроме того, является разработка волоконного лазера с двумя сердцевинами и волоконного усилителя с двумя сердцевинами, простых в изготовлении и позволяющих практически полностью поглощать излучение накачки в лазерной сердцевине и тем самым обеспечивающих более высокий оптический коэффициент полезного действия.

Краткое описание изобретения
Эта задача в соответствии с изобретением решается с помощью оптического волокна с двумя сердцевинами, охарактеризованного в ограничительной части п. 1 формулы изобретения, согласно отличительным признакам указанного пункта.

Эта задача в соответствии с изобретением решается также с помощью способа изготовления оптического волокна с двумя сердцевинами, охарактеризованного в ограничительной части п. 5 формулы изобретения, согласно отличительным признакам указанного пункта.

Эта задача в соответствии с изобретением решается также с помощью волоконного лазера с двумя сердцевинами, охарактеризованного в ограничительной части п. 8 формулы изобретения, согласно отличительным признакам указанного пункта.

Эта задача в соответствии с изобретением решается также с помощью волоконного усилителя с двумя сердцевинами, охарактеризованного в ограничительной части п. 12 формулы изобретения, согласно отличительным признакам указанного пункта.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения, относящихся к соответствующим независимым пунктам.

Согласно изобретению предлагается двухсердцевинное оптическое волокно с круглой сердцевиной накачки, имеющее центрально расположенную лазерную сердцевину, причем сердцевина накачки имеет с наружной стороны по меньшей мере одну проходящую в продольном направлении (направление распространения света) двухсердцевинного оптического волокна сошлифованную грань, за счет чего сердцевина накачки имеет D-образное поперечное сечение. Благодаря этой грани симметрия сердцевины накачки нарушается, что исключает возможность образования спиральных лучей. Вместо этого ход пучка в сердцевине накачки становится хаотическим, благодаря чему достигается почти полное поглощение в лазерной сердцевине введенного в нее излучения накачки.

В основном круглое волокно с центрально расположенной лазерной сердцевиной обеспечивает простое сопряжение его с волоконно-оптическими компонентами, а также простой ввод излучения накачки.

В способе изготовления оптического волокна с двумя сердцевинами согласно изобретению в сравнении с известными способами требуется лишь одна, относительно простая в осуществлении стадия способа, а именно, шлифование цилиндрической поверхности предварительно сформованной заготовки, так называемой преформы, которое можно осуществлять с использованием обычных плоскошлифовальных станков, применяемых в оптической промышленности.

Созданные на основе двухсердцевинного оптического волокна двухсердцевинные волоконные лазеры в сравнении с обычными волоконными лазерами имеют более высокий оптический коэффициент полезного действия и в них требуется применение волокна меньшей длины для полного поглощения излучения накачки. Благодаря в основном круглой сердцевине накачки ввод излучения накачки, в частности из подсоединенных к волокну источников накачки, реализуется особенно просто и с небольшими потерями.

Созданные на основе двухсердцевинного оптического волокна согласно изобретению двухсердцевинные волоконные усилители имеют более высокий оптический коэффициент полезного действия по сравнению с волоконными усилителями, созданными на основе обычных двухсердцевинных волокон. Благодаря в основном круглой сердцевине накачки ввод излучения накачки, в частности из подсоединенных к волокну источников накачки, реализуется особенно просто и с небольшими потерями.

Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно поясняется на чертежах, на которых показано:
на фиг. 1 - схематически принципиальное строение волоконного лазера с двумя сердцевинами,
на фиг. 2 - двухсердцевинное волокно с круглой сердцевиной накачки согласно уровню техники,
на фиг. 3 - поперечный разрез двухсердцевинного оптического волокна согласно изобретению,
на фиг. 4 - часть разреза по линии В-В двухсердцевинного оптического волокна по фиг. 3,
на фиг. 5 - график поглощения излучения накачки в зависимости от величины сошлифованной грани и длины волокна и
на фиг. 6 - схематическое принципиальное строение волоконного усилителя с двумя сердцевинами.

Подробное описание изобретения
На фиг. 1 показано принципиальное строение волоконного лазера 100, состоящего из лазерного диода 102, излучение 104 которого через оптику 106 переноса и зеркало 108 ввода вводится в двухсердцевинное оптическое волокно 110. Сформированное в волокне 110 лазерное излучение 112 выводится через зеркало 114 вывода. Оба зеркала 108 и 114 расположены непосредственно на концах волокна.

На фиг. 2 показано известное из уровня техники двухсердцевинное оптическое волокно 2 в поперечном разрезе. Двухсердцевинное оптическое волокно имеет сердцевину 4 накачки круглого сечения, изготовленную, например, из кварцевого стекла. В сердцевине 4 накачки центрально расположена круглая лазерная сердцевина 6, которая выполнена, например, из материала, легированного неодимом или другим редкоземельным металлом. Сердцевина 4 накачки по ее наружному диаметру окружена оболочкой 8, которая выполнена, например, из прозрачного полимера или стекла с более низким по сравнению с сердцевиной накачки показателем преломления. Сердцевина 4 накачки выполняет функцию как оболочки для лазерной сердцевины 6, так и волновода с высокой числовой апертурой для светового пучка накачки.

На фиг. 2 видно, что в обычном двухсердцевинном оптическом волокне с круглой в сечении сердцевиной 4 накачки образуются главным образом спиральные (геликоидные) лучи 10, которые не пересекают лазерную сердцевину 6 и поэтому не могут поглощаться этой лазерной сердцевиной. Следовательно, такие двухсердцевинные оптические волокна при работе в режиме лазера могут поглощать лишь приблизительно 10% излучения накачки.

На фиг. 3 в поперечном разрезе, а на фиг. 4 в продольном разрезе показано двухсердцевинное оптическое волокно по изобретению с выполненной, например, из кварцевого стекла сердцевиной 22 накачки, в которой центрально относительно общей оси симметрии 29 расположена круглая, выполненная, например, из легированного неодимом материала, лазерная сердцевина 24, которая окружена прозрачной оболочкой 26, имеющей низкий показатель преломления и выполненной, например, из полимера.

Показанное на фиг. 4 двухсердцевинное оптическое волокно 20 содержит также зеркала 32 и 33, которые нанесены, например, напылены, на торцы волокна, за счет чего образуется лазерная резонаторная система.

В отличие от обычных двухсердцевинных оптических волокон 2 согласно фиг. 2 периферийная поверхность сердцевины 22 накачки согласно фиг. 3 и 4 снабжена сошлифованной гранью 28, проходящей в продольном направлении волокна, а по остальному сечению выполнена круглой. Наличие грани 28 нарушает круговую симметрию двухсердцевинного оптического волокна. На фиг. 3 видно, что благодаря сошлифованной грани 28 ход лучей становится хаотическим, в результате чего по мере распространения света по двухсердцевинному оптическому волокну практически все проводимые волокном компоненты излучения могут вступить во взаимодействие с лазерной сердцевиной 24, и при соответствующей длине волокна достигается почти 100%-ное поглощение излучения накачки. Сошлифованная грань препятствует образованию спиральных лучей, и она достаточна проста в изготовлении.

Однако таких сошлифованных граней на сердцевине накачки может быть предусмотрено более одной, например, три под углом 120^o, размеры которых выбраны такими, чтобы форма сердцевины накачки сохранялась в основном круглой.

Размеры двухсердцевинного оптического волокна 20 могут быть следующие:
диаметр ⊘_PK сердцевины накачки (в месте без сошлифованной грани) - 10-600 мкм
диаметр ⊘_LK лазерной сердцевины - 1,5-20 мкм
толщина оболочки - 5-100 мкм
высота а сошлифованной грани - 1-49% от диаметра ⊘_PK сердцевины накачки
Для применения в качестве лазера длину волокна l_F целесообразно выбирать в пределах от 0,3 до 50 м, а для применения в качестве усилителя - от 0,3 до 10 м.

Для выполнения волоконного резонатора, как показано на фиг. 1 и 4, на торцах двухсердцевинного оптического волокна расположены диэлектрические зеркала, причем на стороне накачки, соответственно на стороне ввода применяют зеркало 108 (фиг. 1), соответственно 32 (фиг. 4) с высокой степенью отражения для лазерного излучения и высокой степенью пропускания для излучения 104 накачки (фиг. 1), соответственно 34 (фиг. 4), а на стороне выхода применяют зеркало 114 (фиг. 1), соответственно 33 (фиг. 4) с высокой степенью отражения для излучения накачки и высокой степенью пропускания для лазерного излучения 112 (фиг. 1), соответственно 36 (фиг. 4). Зеркала 32 и 33, соответственно 108 и 114 могут быть нанесены непосредственно на торцевую поверхность волокна либо зеркала могут быть напрессованы на торцевую поверхность волокна или же установлены перед торцами волокна.

Излучение накачки многократно отражается внутри двухсердцевинного оптического волокна на границе раздела между оболочкой 26 и сердцевиной 22 накачки, пересекая при этом после одного или нескольких отражений лазерную сердцевину 24 и взаимодействуя с ней, пока не будет поглощено лазерной сердцевиной 24.

На фиг. 5 показан график поглощения A излучения накачки в двухсердцевинном оптическом волокне согласно фиг. 1 и 4 в зависимости от сошлифованной грани и длины L_F волокна. Кривые 40, 42 и 44, относящиеся к сердцевине накачки диаметром 100 мкм с сошлифованными гранями соответственно 1 мкм, 5 мкм и 25 мкм, характеризуют поглощение A излучения накачки в сравнении с двухсердцевинным оптическим волокном, имеющим сердцевину накачки круглого сечения, т. е. размер сошлифованной грани согласно уровню техники составляет 0 мкм (ср. кривую 46). Из графика видно, что поглощение A уже при очень малом значении сошлифовки сердцевины накачки значительно выше поглощения A в двухсердцевинном оптическом волокне с обычной круглой сердцевиной накачки. Поглощение A далее возрастает с увеличением длины волокна, в то время как рост поглощения с увеличением сошлифованной грани выражен не так явно.

Наружную геометрию сердцевине накачки, содержащей лазерную сердцевину, придают путем сошлифовывания заготовки (преформы) в пределах от 1 до 49% от ее диаметра. Заготовку после сошлифовывания вытягивают при более низкой, чем обычная, температуре в волокно для сохранения D-образной геометрии. Химический состав лазерных волокон соответствует составу стандартных волокон, известных из литературы. Необходимый показатель преломления создают в волокне путем совместного легирования германием, фосфором и фтором.

На фиг. 6 показано принципиальное строение двухсердцевинного волоконного усилителя, состоящего из источника 202 накачки, излучение 204 которого коллимируется коллиматором 216 и через конденсор 218, например, дихроичное зеркало, с помощью оптики 206 переноса вводится в двухсердцевинное оптическое волокно 200 через торцевую поверхность 208 волокна. Торцевые поверхности 208 и 214 волокна снабжены просветляющим покрытием или срезаны под углом к оптической оси, что оптически препятствует распространению лучей в обратном направлении внутри двухсердцевинного оптического волокна. Несущее информационный сигнал излучение 220 вводится в двухсердцевинное оптическое волокно через конденсор 218 и оптику 206 переноса. На противоположной от стороны ввода торцевой поверхности 214 двухсердцевинного оптического волокна выходит усиленное излучение 212, несущее информационный сигнал.

Размеры для 4-уровневых лазерных или усилительных систем могут быть, например, следующие, мкм:
диаметр лазерной сердцевины - 5
диаметр сердцевины накачки - 125
высота сошлифованной грани - 20
Волоконный лазер, легированный неодимом в количестве 1300 част./млн., с указанной геометрией и длиной волны накачки 810 нм достигает оптического коэффициента полезного действия выше 40% при длине волны лазера 1060 нм и выходной мощности 2 Вт.

Размеры для 3-уровневых лазерных или усилительных систем и повышающих лазеров могут быть, например, следующие, мкм:
диаметр лазерной сердцевины - 3,5
диаметр сердцевины накачки - 20
высота сошлифованной грани - 5
Волоконный лазер, легированный празеодимом и иттербием, может достичь при указанной геометрии оптического коэффициента полезного действия выше 20% при длине волны лазера 635 нм и выходной мощности выше 1 Вт.

Прелагается оптическое волокно с двумя сердцевинами, состоящее из сердцевины накачки, центрально расположенной в сердцевине накачки лазерной сердцевины и окружающей сердцевину накачки оболочки. Волокно отличается тем, что выполненная в основном круглой в поперечном сечении сердцевина накачки имеет на внешней стороне проходящую в направлении распространения света в двухсердцевинном оптическом волокне сошлифованную грань, составляющую 1 - 49% от диаметра сердцевины накачки. Описан далее способ изготовления оптического волокна с двумя сердцевинами, волоконный лазер с двумя сердцевинами и волоконный усилитель с двумя сердцевинами, в которых применяется двухсердцевинное оптическое волокно согласно изобретению. Технический результат: выполненная в основном круглой сердцевина накачки со своей центрально расположенной лазерной сердцевиной обеспечивает простое сопряжение с другими волоконно-оптическими компонентами, а также простой ввод излучения накачки. 4 с. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптическое волокно с двумя сердцевинами, состоящее из сердцевины (22) накачки, центрально расположенной в сердцевине (22) накачки лазерной сердцевины (24) и окружающей сердцевину (22) накачки оболочки (26), отличающееся тем, что выполненная в основном круглой в поперечном сечении сердцевина (22) накачки имеет на внешней стороне по меньшей мере одну проходящую в направлении распространения света по двухсердцевинному оптическому волокну (20) сошлифованную грань (28), составляющую 1 - 49% от диаметра сердцевины (22) накачки. 2. Оптическое волокно с двумя сердцевинами по п.1, отличающееся тем, что в зависимости от длины волны лазерного излучения и применения диаметр ⊘_PK сердцевины (22) накачки без сошлифованной грани (28) составляет 5 - 600 мкм, диаметр ⊘_LK лазерной сердцевины (24) составляет 1,5 - 20 мкм, а измеряемая в радиальном направлении сердцевины (22) накачки высота а сошлифованной грани (28) составляет 1 - 200 мкм. 3. Оптическое волокно с двумя сердцевинами по п.1, отличающееся тем, что оболочка (26) двухсердцевинного оптического волокна выполнена из полимера или стеклянного материала с более низким по сравнению с сердцевиной (22) накачки показателем преломления и толщиной 5 - 100 мкм. 4. Оптическое волокно с двумя сердцевинами по п.1, отличающееся тем, что каждая из двух торцевых поверхностей двухсердцевинного оптического волокна ориентирована под прямым углом или под углом меньшей 90^ok оптической оси и покрыта по меньшей мере в зоне лазерной сердцевины (24) зеркальным и/или просветляющим для определенных интервалов длин волн слоем. 5. Способ изготовления оптического волокна с двумя сердцевинами, предусматривающий изготовление цилиндрической преформы из кварца или стекла стандартным способом и вытягивание стекловолокна из нагретой преформы, отличающийся тем, что на наружной цилиндрической поверхности преформы после ее изготовления сошлифовывают по меньшей мере одну грань, составляющую 1 - 49% от диаметра преформы, и из шлифованной преформы вытягивают двухсердцевинное оптическое волокно, причем температуру вытягивания преформы регулируют таким образом, что наружная геометрия преформы и наружная геометрия сердцевины (22) накачки остаются конгруэнтными. 6. Способ изготовления оптического волокна с двумя сердцевинами по п.5, отличающийся тем, что на преформу после сошлифовывания грани наносят стеклянный или кварцевый слой определенной толщины с меньшим по сравнению с материалом будущей сердцевины накачки показателем преломления, причем толщину выбирают таким образом, что диаметр двухсердцевинного оптического волокна после вытягивания преформы составляет по меньшей мере 80 мкм. 7. Способ изготовления оптического волокна с двумя сердцевинами по п.5, отличающийся тем, что наружный диаметр преформы составляет 5 - 20 мм, а сошлифованная грань преформы составляет 1 - 8 мм и преформу изготавливают с постоянными по длине цилиндра наружными размерами, а двухсердцевинное оптическое волокно (100, 200, 20) вытягивают с постоянным диаметром ⊘_PK сердцевины (22) накачки, измеренным в месте без сошлифованной грани (28) и составляющим 5 - 600 мкм. 8. Волоконный лазер (100) с двумя сердцевинами, в состав которого входят следующие расположенные в направлении распространения света конструктивные элементы: источник накачки (лазерный диод 102), предпочтительно оптика (106) ввода, первое диэлектрическое зеркало (108, 32), взаимодействующее с входным торцом двухсердцевинного оптического волокна (110,20), двухсердцевинное оптическое волокно (110, 20), которое состоит из сердцевины (22) накачки, лазерной сердцевины (24), расположенной центрально в сердцевине (22) накачки, и окружающей сердцевину (22) накачки оболочки (26), а также второе диэлектрическое зеркало (114,33), взаимодействующее с выходным торцом двухсердцевинного оптического волокна (110, 20), отличающийся тем, что выполненная в основном круглой в поперечном сечении сердцевина (22) накачки имеет на наружной стороне по меньшей мере одну проходящую в направлении распространения света по двухсердцевинному оптическому волокну (20) сошлифованную грань (28), которая составляет 1 - 49% от диаметра сердцевины (22) накачки. 9. Волоконный лазер с двумя сердцевинами по п.8, отличающийся тем, что длина двухсердцевинного оптического волокна составляет больше 0,1 м. 10. Волоконный лазер с двумя сердцевинами по п.8, отличающийся тем, что для 4-уровневых лазерных систем диаметр ⊘_PK сердцевины (22) накачки в месте без сошлифованной грани (28) составляет 75 - 600 мкм, диаметр ⊘_LK лазерной сердцевины составляет 2 - 20 мкм, а измеряемая в радиальном направлении сердцевины (22) накачки высота а сошлифованной грани (28) составляет 5 - 100 мкм. 11. Волоконный лазер с двумя сердцевинами по п.8, отличающийся тем, что для 3-уровневых лазерных систем и повышающих лазерных систем диаметр ⊘_PK сердцевины (22) накачки в месте без сошлифованной грани (28) составляет 10 - 50 мкм, диаметр ⊘_LK лазерной сердцевины составляет 2 - 10 мкм, а измеряемая в радиальном направлении сердцевины (22) накачки высота а сошлифованной грани (28) составляет 1 - 15 мкм. 12. Волоконный усилитель с двумя сердцевинами, в состав которого в направлении распространения света входят следующие конструктивные элементы: источник накачки (лазерный диод 202), предпочтительно коллиматорная оптика (216), конденсор (дихроичное зеркало 218), предпочтительно оптика (206) ввода, просветляющая или установленная под углом к оптической оси торцевая поверхность волокна, в которую вводится излучение накачки и оптический сигнал, двухсердцевинное оптическое волокно (200), которое состоит из сердцевины (22) накачки, лазерной сердцевины (24), расположенной центрально в сердцевине (22) накачки, и окружающей сердцевину (22) накачки оболочки (26), а также просветляющая или установленная под углом к оптической оси торцевая поверхность волокна, из которой выходит усиленный оптический сигнал, отличающийся тем, что выполненная в основном круглой в поперечном сечении сердцевина (22) накачки имеет на наружной стороне по меньшей мере одну проходящую в направлении распространения света по двухсердцевинному оптическому волокну (20) сошлифованную грань (28), которая составляет 1 - 49% от диаметра сердцевины (22) накачки. 13. Волоконный усилитель с двумя сердцевинами по п.12, отличающийся тем, что длина двухсердцевинного оптического волокна составляет больше 0,1 м, а наибольшая длина определяется тем, что усиленный оптический сигнал при работе больше усиленной спонтанной эмиссии, причем наибольшая длина двухсердцевинного оптического волокна составляет менее 50 м. 14. Волоконный усилитель с двумя сердцевинами по п.12, отличающийся тем, что для 4-уровневых систем диаметр ⊘_PK сердцевины (22) накачки в месте без сошлифованной грани (28) составляет 75 - 600 мкм, диаметр ⊘_LK лазерной сердцевины составляет 2 - 20 мкм, а измеряемая в радиальном направлении сердцевины (22) накачки высота а сошлифованной грани (28) составляет 5 - 100 мкм.