РАМАНОВСКИЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2000 года по МПК H01S3/30 

Настоящее изобретение относится к области лазерной техники и волоконной оптики и промышленно применимо в системах световодной связи для накачки оптических усилителей, используемых в широкополосных волоконно-оптических системах связи. Кроме того, предлагаемое устройство может быть использовано в качестве источников излучения в областях, где требуется спектрально-селективное воздействие излучения на вещество в ближнем ИК-диапазоне, в частности в медицине, а также диагностике окружающей среды, химии.

Предшествующий уровень техники
Хорошо известно, что эффект вынужденного рамановского рассеяния (рассеяния света на внутримолекулярных колебаниях) может использоваться для усиления оптического излучения (И.Р.Шен Принципы нелинейной оптики. Москва, Наука, 1989, глава 10, стр. 146-185, и связанные с ней ссылки; Г.Агравал Нелинейная волоконная оптика. Изд-во "Мир", 1996, глава 8, стр.216-226 и указанные в ней ссылки).

В описании предлагаемого устройства существенным образом используется понятие рамановского коэффициента усиления в объемном образце материала и в одномодовом световоде с сердцевиной и оболочкой определенного состава.

Здесь и ниже под коэффициентом рамановского усиления G_R подразумевается коэффициент рамановского усиления в объемном материале, как он определен, например, в (И.Р.Шен Принципы нелинейной оптики. Москва, Наука, 1989, глава 9, стр. 149-150). Размерность величины G_R равна м/Вт.

Для описания усилительных свойств именно волоконных световодов используется коэффициент рамановского усиления в световоде g₀, который связан с величиной G_R для материала сердцевины световода соотношением g₀ = G_R/A_eff, где A_eff - эффективная площадь сердцевины световода (например, Г.Агравал Нелинейная волоконная оптика. Изд-во "Мир", 1996, глава 8, стр. 216-226). Размерность величины g₀ равна 1/(м•Вт) или дБ/(км•Вт). В частности, для ряда коммуникационных световодов величина g₀ была измерена экспериментально (V.L. da Silva, J.R.Simpson. Comparisoion of Raman efficiencies in optical fibers. Conference on Optical Fiber Communications, 1994, OFC'94 Technical Digest, WK13, pp. 136-137, 1994) и составила ~5•10^-4 1/(м•Вт) или, что то же, ~2.2 дБ/(км•Вт).

Известны конструкции волоконных лазеров, действие которых основано на эффекте вынужденного рамановского рассеяния в световоде, и которые являются фактически преобразователями частоты (или длины волны) оптического излучения. В частности, рамановский волоконный лазер на германосиликатном световоде представлен в работе (S.G.Grubb, T.Strasser, W.Y.Cheung, W.A. Reed, V. Mizhari, T. Erdogan, P.J.Lemaire, A.M.Vengsarkar, D.J.DiGiovanni, D.W.Peckham, B.H.Rockhey. High- Power 1,48 μm Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers. Optical Ampl. and Their Appl., Davos, USA, 15-17 June 1995, p. 197-199).

Представленный в данной работе пятикаскадный рамановский лазер предназначен для преобразования оптического излучения с длиной волны λ₀ = 1.117 мкм (и частотой ν₀ = 8950 см^-1) в излучение с длиной волны 1,48 мкм (6760 см^-1). Основной легирующей примесью в сердцевине световода является GeO₂. Источником накачки служит иттербиевый лазер с длиной волны генерации 1,117 мкм. Рамановский волоконный лазер содержит пять попарно разнесенных волоконных брэгговских решеток в качестве зеркал на длины волн λ₁ = 1,175 мкм (ν₁ = 8511 см^-1), λ₂ = 1,24 мкм (ν₂ = 8065 см^-1), λ₃ = 1,31 мкм (ν₃ = 7634 см^-1), λ₄ = 1,40 мкм (ν₄ = 7143 см^-1) и λ₅ = 1,48 мкм (ν₅ = 6760 см^-1), образующих соответственно 5 вложенных друг в друга резонаторов, содержащих германосиликатный световод, для 1-ой, 2- ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой стоксовых компонент рамановского (вынужденного комбинационного) рассеяния в германосиликатном световоде. При вводе излучения накачки в упомянутый германосиликатный световод, в нем возникает вследствие эффекта вынужденного рамановского рассеяния усиление оптического излучения в диапазоне частот, сдвинутых в длинноволновую сторону относительно излучения накачки на величину около 450 см^-1. Величина сдвига и ширина полосы усиления определяются характеристиками колебаний молекул материала световода, используемого в рамановском лазере в качестве активной среды, в данном случае свойствами германосиликатного стекла. При достижении величины усиления оптического излучения на частоте ν₁ некоторой пороговой величины, на этой частоте возникает лазерная генерация. Таким образом работает 1-й каскад рамановского лазера. После возникновения генерации на частоте ν₁ уже излучение с частотой ν₁ служит накачкой для рамановского лазера, резонатор которого настроен на частоту ν₂, и так далее до пятого каскада преобразования. Таким образом, каждый каскад рассматриваемого рамановского лазера сдвигает частоту генерации на величину ~450 см^-1.

Недостатком этого лазера является относительно низкая эффективность преобразования излучения в 5-ую стоксову компоненту, обусловленная потерями в оптическом волокне на длинах волн стоксовых компонент из-за большого числа каскадов преобразования вследствие малой величины рамановского сдвига частоты излучения в стандартных световодах, в особенности из-за наличия оптических резонаторов в коротковолновой части спектра (в данном случае 1.175 мкм резонатор), где, как известно, оптические потери в световоде имеют большую величину по сравнению с диапазоном около 1.55 мкм.

Патент US 5323404 МПК H 01 S 3/30, опубл. 21.07.1994 г. содержит описание аналогичного устройства. Здесь отмечено, что рамановский лазер такого типа способен генерировать практически любую предварительно заданную длину волны вследствие большой относительной ширины рамановской полосы усиления в германосиликатном световоде. Но устройство имеет тот же недостаток, что и в предыдущем примере.

Наиболее близким к заявляемому устройству является известный рамановский волоконный лазер, описанный в патенте РФ 2095902, МПК H 01 S 3/30, опубл. 10.11.1997 г. (патент-аналог США 5838700 МПК H 01 S 3/30, опубл. 17.11.1998 г. ), содержащий в качестве активной среды отрезок волоконного световода, который содержит оксидную матрицу на основе SiO₂, в состав которой входит оксид фосфора, лазер с длиной волны генерации 1,0-1,1 мкм в качестве источника накачки и две брэгговские решетки показателя преломления в качестве распределенных зеркал на длину волны 1,20-1,28 мкм, образующие резонатор для первой стоксовой компоненты и еще две брэгговские решетки в качестве распределенных зеркал на длину волн 1,46-1,50 мкм, образующие резонатор для второй стоксовой компоненты. Согласно данному изобретению, при длине волны излучения накачки 1.0-1.1 мкм излучение с длинами волн 1.2-1.28 мкм и 1.46-1.50 мкм может быть получено в рамановских лазерах на фосфоросиликатном световоде в результате всего лишь одно- и двухкаскадного преобразования, соответственно. В результате может быть достигнут более высокий КПД преобразования, чем в рамановском лазере на германосиликатном световоде (что продемонстрировано, например, в работе E.M.Dianov, I.A.Bufetov, M.M.Bubnov, A. V.Shubin, S.A.Vasiliev, O.I.Medvedkov, S.L.Semjonov, M.V.Grekov, V.M.Paramonov, A. N. Gur'yanov, V. F.Khopin, D.Varelas, A.Iocco, D.Constantini, H.G. Limberger, R. -P.Salathe. "CW highly efficient 1.24 μm Raman laser based on low-loss phosphosilicate fiber." OFC'99, Techinical Digest series, Postdeadline Papers, PD-25, 1999). Спектр спонтанного рамановского рассеяния в фосфоросиликатном волоконном световоде (см, например, E.M.Dianov, M.V.Grekov, I.A.Bufetov, S.A.Vasiliev, O.I.Medvedkov, V.G.Plotnichenko, V.V.Koltashev, A.V.Belov, M.M.Bubnov, S.L.Semjonov and A.M.Prokhorov, "CW high power 1.24 μm and 1.48 μm Raman lasers based on low loss phosphosilicate". Electron. Lett., 33, 1542, 1997.) содержит линию шириной ~50 см^-1, центр которой смещен относительно линии накачки на ~1330 см^-1, что соответствует рассеянию излучения на сравнительно высокочастотных внутримолекулярных колебаниях, связанных с оксидом фосфора. Эта величина рамановского сдвига частоты в ~3 раза больше, чем смещение линии рамановского усиления в германосиликатном световоде. Именно эта линия, связанная с наличием оксида фосфора в волоконном световоде, и используется в вышеприведенном примере для преобразования излучения накачки с длиной волны около 1.06 мкм в диапазоны 1.24 мкм и 1.48 мкм за один и два каскада преобразования, соответственно.

Недостатком прототипа является использование только вышеупомянутой узкой спектральной рамановской линии из рамановского спектра фосфоросиликатного световода, связанной с присутствием оксида фосфора в материале сердцевины, что практически не позволяет получать на выходе рамановского лазера излучение предварительно заданной произвольной длины волны даже с учетом возможной области перестройки обычно используемых источников излучения накачки: иттербиевых или неодимовых лазеров в диапазоне от 1.0 до 1.12 мкм.

Сущность изобретения
В соответствии с вышеизложенным, задачей настоящего изобретения является создание волоконного рамановского лазера, обеспечивающего повышение эффективности преобразования излучения накачки в излучение предварительно заданной произвольной длины волны в диапазоне от длины волны накачки до 1.8 мкм.

Указанный результат достигается тем, что в рамановском волоконном лазере, содержащем в качестве активной среды отрезок волоконного фосфоросиликатного световода, в состав которого входят SiO₂, P₂O₅; источник оптического излучения накачки с частотой ν₀, по меньшей мере, две пары брэгговских решеток в качестве зеркал, при этом каждая пара брэгговских решеток формирует оптический резонатор, включающий, по меньшей мере, часть отрезка фосфоросиликатного световода, а частота ν₀ указанного источника оптического излучения накачки и частота каждого оптического резонатора ν_i , где i = 1...N, заданы таким образом, что, часть значений разностей частот Δν_i = ν_i-1-ν_i принадлежат диапазону (1305-1355) см^-1, рамановское усиление в котором обусловлено присутствием P₂O₅ в фосфоросиликатном световоде, а остальные значения разностей частот Δν_i принадлежат диапазону (50-560) см^-1, рамановское усиление в котором обусловлено присутствием SiO₂ в фосфоросиликатном световоде, при этом каждому из диапазонов принадлежит хотя бы одно значение Δν_i.
При этом предпочтительным является то, что на выходе рамановского волоконного лазера размещена дополнительная брэгговская решетка с коэффициентом отражения излучения на частоте ν₀ более 50%.

Кроме того, источник излучения накачки может быть выполнен в виде неодимового волоконного лазера с частотой ν₀, выбранной из диапазонов (8930-9489) см^-1, (10820-10870) см^-1 и (7400-7700) см^-1.

Источник излучения накачки может быть выполнен в виде иттербиевого волоконного лазера с частотой ν₀, выбранной из диапазона (8900-10000) см^-1.

В частности, концентрация P₂O₅ в сердцевине указанного отрезка фосфоросиликатного световода лежит в диапазоне (8-15) молярных %.

Кроме того, в состав указанного отрезка фосфоросиликатного световода может быть дополнительно введено соединение, по меньшей мере, одного химического элемента из группы: Ge, N, Ga, Al, F, Ti, В, Sn, S.

Таким образом, особенностью предлагаемой конструкции рамановского лазера на фосфоросиликатном световоде является использование в ряде каскадов преобразования частоты излучения рамановского сдвига, связанного с силикатной матрицей.

Одновременное использование в многокаскадном рамановском лазере в различных каскадах стоксовых сдвигов частоты генерации, по меньшей мере, двух существенно различных значений позволяет, с одной стороны, за счет использования каскадов с большим стоксовым сдвигом за минимально необходимое число каскадов преобразования получить излучение с длиной волны, отличающейся от необходимой менее, чем на величину большого сдвига (в данном случае ~1330 см^-1). После чего с помощью одного или двух каскадов рамановского преобразования со сдвигами частоты, взятыми из диапазона (50-560) см^-1, можно получить точное значение заданной длины волны генерации. Дополнительные возможности выбора конечной длины волны преобразования излучения дает выбор длины волны излучения накачки неодимового волоконного лазера (в диапазоне от 1.055 до 1.10 мкм) или иттербиевого волоконного лазера (от 1.05 до 1.12 мкм).

В частности, для повышения степени использования излучения накачки в схему рамановского лазера на фосфоросиликатном световоде может быть введена дополнительная одиночная брэгговская решетка, обладающая высоким (более 50%) коэффициентом отражения излучения с частотой ν₀ и расположенную вблизи выхода рамановского лазера.

Существенно, чтобы коэффициенты рамановского усиления в обеих полосах рамановского спектра фосфоросиликатного световода (величины g₀ для каждого диапазона - (1305-1355) см^-1 и (50-560) см^-1) имели приблизительно равные значения. В этом случае оптимальные длины световода для каждого каскада преобразования частоты также имеют приблизительно равные значения. Это позволяет использовать один и тот же отрезок световода как активную среду с длиной, близкой к оптимальной, для всех каскадов рамановского лазера как с большим (1305-1355) см^-1, так и с малым (50-560) см^-1 рамановским сдвигом частоты. Поэтому предпочтительным является использование в качестве рамановской усиливающей среды фосфоросиликатного световода с концентрацией оксида фосфора, лежащей в диапазоне (8-15) молярных %.

Использование в одном рамановском лазере одновременно высокочастотного и низкочастотного рамановских сдвигов частоты позволяет получать излучение любой предварительно заданной длины волны в диапазоне между длиной волны излучения накачки и ~1.8 мкм с малым числом каскадов рамановского преобразования и с высокой эффективностью. В частности, рамановский лазер на фосфоросиликатном световоде с накачкой от иттербиевого или неодимового волоконных лазеров позволяет получать с высоким КПД (≥50%) преобразование частоты излучения от длины волны излучения накачки ~1000 нм до любого значения длины волны в диапазоне до 1.6 мкм не более, чем за 3 каскада преобразования.

Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется на примере предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на чертежи, при этом одинаковые элементы на фигурах обозначены одними и теми же позициями. На чертежах представлено следующее:
фиг. 1 - схематичное представление предпочтительного варианта реализации заявляемого рамановского волоконного лазера;
фиг. 2 - схема трехкаскадного рамановского волоконного лазера, как пример реализации изобретения;
фиг. 3 - спектр спонтанного рамановского рассеяния в фосфоросиликатном световоде (3a) и в чисто силикатном световоде (3b);
фиг. 4 - расчетные зависимости коэффициентов рамановского усиления, соответствующих стоксовым сдвигам около 440 и 1330 см^-1 в фосфоросиликатном световоде, от разности показателей преломления сердцевины световода и отражающей оболочки;
фиг. 5 - спектр излучения на выходе трехкаскадного рамановского волоконного лазера, схема которого представлена на фиг. 2;
фиг. 6 - зависимость мощности излучения на выходе трехкаскадного рамановского лазера, схема которого представлена на фиг. 2, на длинах волн всех трех рамановских резонаторов и на длине волны излучения накачки от мощности излучения накачки на входе в отрезок фосфоросиликатного световода.

Описание предпочтительного варианта реализации изобретения
В качестве предпочтительного варианта реализации изобретения на фиг. 1 представлена оптическая схема рамановского волоконного лазера, число пар брэгговских решеток в которой равно N, причем N равно двум или более. Данный рамановский лазер осуществляет эффективное преобразование излучения накачки с частотой ν₀ в излучение с частотой ν_N.

На фиг. 1 поз.1 обозначен источник излучения с частотой ν₀, являющийся источником излучения накачки для рамановского лазера. Поз. 2 обозначен отрезок фосфоросиликатного световода, являющийся активной средой рамановского лазера. Две группы брэгговских решеток, используемых в качестве зеркал и формирующих оптические резонаторы с частотами ν_i, где i = 1...N, каждый из которых содержит по меньшей мере часть отрезка фосфоросиликатного световода, обозначены на фиг.1 как поз. 3 и поз. 4, соответственно. Поз. 5 обозначена дополнительная брэгговская решетка на выходе рамановского волоконного лазера. Поз. 6 обозначены точки сварки отрезка фосфоросиликатного световода с отрезками волоконных световодов, содержащих брэгговские решетки показателя преломления (если брэгговские решетки не записаны непосредственно в самом отрезке фосфоросиликатного световода). Поз. 7 обозначена точка выхода излучения с частотой ν_N.
В качестве источника излучения накачки с частотой ν₀ для рамановского лазера (1) могут выступать неодимовый или иттербиевый волоконные лазеры, излучающие в диапазоне частот (8900-10000) см^-1. Кроме того, в качестве источника накачки может быть использован любой другой одномодовый лазер, генерирующий излучение в диапазоне длин волн 0.5-1.7 мкм, как волоконный, так и на объемных элементах, в том числе на кристаллах, легированных ионами металлов. В качестве источника излучения накачки может использоваться также другой рамановский лазер. Две группы брэгговских решеток показателя преломления, записанных в сердцевине световода, обозначенных поз. 3 и поз. 4, разделенные отрезком фосфоросиликатного световода, содержат N пар брэгговских решеток (не показаны на фиг. 1), при этом каждая пара брэгговских решеток образуют оптический резонатор. Брэгговские решетки выполняют роль зеркал. Таким образом, в этих двух группах содержится N пар брэгговских решеток (не показаны на фиг. 1) - по одному из группы 3 и из группы 4 - причем брэгговские решетки каждой пары рассчитаны на отражение излучения в области одной длины волны (ширина спектрального диапазона, в котором брэгговские решетки отражают излучение, предпочтительно лежит в области 0.1-5 нм, и средние длины волн для каждой пары совпадают с точностью изготовления этих элементов). Таким образом, каждая такая пара брэгговских решеток формирует оптический резонатор, причем каждая i-ая (i = 1...N) пара формирует оптический резонатор для своей частоты оптического излучения ν_i. Величины ν_i/ выбираются таким образом, чтобы разность Δν_i = ν_i-1-ν_i принадлежала или интервалу (50-560) см^-1 (в этом случае излучение с частотой ν_i является рамановской компонентой, связанной с вынужденным рассеянием в силикатной матрице световода - стеклообразном SiO₂), или интервалу (1305-1355) см^-1 (в этом случае излучение с частотой ν_i является рамановской компонентой, связанной с наличием оксида фосфора в составе световода). Причем, согласно изобретению, каждому из диапазонов принадлежит по меньшей мере одно значение Δν_i. Коэффициенты отражения всех брэгговских решеток близки к 100%, кроме выходной решетки в резонаторе на частоте ν_N, коэффициент отражения которой может быть существенно меньше 100% (например 5%) для осуществления оптимального вывода излучения с частотой ν_N из резонатора. Дополнительная брэгговская решетка 5 рассчитана на близкий к 100% коэффициент отражения излучения накачки с частотой ν₀ для обеспечения по меньшей мере двойного прохода излучения накачки по отрезку фосфоросиликатного световода и, тем самым, более эффективного использования излучения накачки. Все брэгговские решетки могут быть записаны как непосредственно в фосфоросиликатном световоде (и такой вариант является предпочтительным с точки зрения снижения потерь оптического излучения в резонаторах многокаскадного рамановского лазера), так и на дополнительных отрезках специального волоконного световода, которые затем привариваются к отрезку фосфоросиликатного световода в точках поз. 6.

Более детальное описание заявляемого изобретения - трехкаскадного рамановского лазера - представлено на примере, изображенном на фиг. 2, где активной лазерной средой трехкаскадного рамановского лазера является отрезок фосфоросиликатного световода, обозначенный поз. 2. На схеме фиг. 2 роль источника излучения накачки для рамановского лазера выполняет волоконный неодимовый лазер.

В свою очередь оптическая накачка неодимового лазера осуществляется с помощью матрицы лазерных диодов с многомодовым волоконным выходом. Таким образом, исходным источником излучения накачки для всей оптической схемы, изображенной на фиг. 2, является матрица лазерных диодов с волоконным выходом поз. 8. Поз. 9 на фиг. 2 обозначена оптическая система, с помощью которой излучение матрицы с волоконным выходом поз.8 вводится в первую оболочку активного световода неодимового лазера (неодимового световода) поз.10. Резонатор неодимового волоконного лазера образован отражающими элементами, выполненными в виде брэгговских решеток показателя преломления поз. 11 и поз. 12. Брэгговские решетки записаны на отрезках стандартного световода Flexcor 1060 (фирма Corning, США) и приварены к концам неодимового световода (точки сварки световодов на фиг. 2 обозначены цифрой поз. 6).

Рамановский волоконный лазер выполнен трехкаскадным. Отрезок фосфоросиликатного световода поз. 2 является общей частью всех трех резонаторов. Три пары брэгговских решеток показателя преломления в роли зеркал, формирующих резонаторы для каждого каскада, обозначены поз. 13-14, 15-16 и 17-18, соответственно.

Кроме того, в конструкцию лазера входит дополнительная брэгговская решетка поз. 5, параметры которой совпадают с параметрами решетки поз. 11. Эта решетка служит для возвращения в световод поз. 2 излучения с длиной волны λ₀ с целью повышения КПД рамановского лазера. Поз. 7 обозначена точка выхода излучения с преобразованной длиной волны λ₃ из оптической схемы.

Излучение матрицы лазерных диодов с волоконным выходом 8 является накачкой для волоконного неодимового лазера на волоконном световоде с двойной оболочкой (Описание лазера такого типа см., например, Е.М.Дианов, А.В.Белов, И.А. Буфетов, В.Н.Протопопов, А.Н.Гурьянов, Д.Д.Гусовский, С.В.Кобись Мощный одномодовый неодимовый волоконный лазер. Квантовая электроника, 27 (1), стр. 1-2, 1997). Длина волны излучения матрицы составляет 0.805 мкм при спектральной ширине 3 нм, максимальная мощность 10 Вт.

Как уже указывалось выше, активной средой волоконного неодимового лазера является волоконный световод (неодимовый световод) с двойной оболочкой поз. 10, сердцевина которого содержит ионы неодима. Первая оболочка этого неодимового световода выполнена из плавленного кварца. Вторая оболочка неодимового световода - из полимера с низким показателем преломления. В результате этого первая оболочка неодимового световода является многомодовым световодом для излучения матрицы лазерных диодов.

Брэгговская решетка поз. 11 имеет коэффициент отражения на длине волны генерации неодимового лазера λ₀ = 1062 нм (ν₀ = 9416 см^-1), близкий к 100% (более 98%). Ширина спектральной полосы отражения данной решетки составляет 2 нм (по уровню - 10 дБ). Коэффициент отражения брэгговской решетки поз. 12 на длине волны 1062 нм составляет около 4%, ширина полосы 0.5 нм (по уровню 1/2).

Как уже упоминалось, активной лазерной средой трехкаскадного рамановского лазера является отрезок фосфоросиликатного световода поз.2. Его сердцевина содержит 10 молярных процентов P₂O₅. Для оптического излучения всех используемых длин волн световод является одномодовым. Длина волны отсечки второй моды данного световода составляет 0.9 мкм.

Пары брэгговских решеток поз. 13-14, 15-16 и 17-18, соответственно, записаны в отрезках стандартного световода Flexcor 1060. В каждой паре обе решетки записаны на одну и ту же длину волны излучения (с точностью до ошибок эксперимента ~0.1 нм) и имеет ширину спектра отражения ~0.5 нм.

Пара решеток поз. 13-14 образует резонатор первого каскада рамановского лазера. Они записаны на длину волны λ₁ = 1236 нм (ν₁ = 8091 см^-1). Частотный сдвиг между λ₀ и λ₁ соответствует линии рамановского усиления фосфора (1305-1355 см^-1). Решетки поз. 13 и поз. 14 имеют высокий коэффициент отражения (более 99%).

Пара решеток поз. 15-16 образует резонатор второго каскада рамановского лазера. Они записаны на длину волны λ₂ = 1316 нм (ν₂ = 7600 см^-1). Частотный сдвиг между λ₁ и λ₂ соответствует линии рамановского усиления кварца (50-560 см^-1). Обе решетки поз. 15 и 16 имеют высокий коэффициент отражения (более 99%).

Пара решеток поз.17-18 образует резонатор третьего каскада рамановского лазера. Они записаны на длину волны λ₃ = 1407 нм (ν₃ = 7107 см^-1). Частотный сдвиг между λ₂ и λ₃ соответствует линии рамановского усиления кварца (490 см^-1). Решетка поз. 18 имеет высокий коэффициент отражения (более 99%). Брэгговская решетка поз. 17 имеет коэффициент отражения ≈ 60%. Она обеспечивает оптимальный вывод излучения из резонатора рамановского лазера.

На фиг. 3 представлен спектр спонтанного рамановского рассеяния в фосфоросиликатном световоде (3a) и в чисто силикатном световоде (3b). В спектре рамановского спонтанного рассеяния фосфоросиликатного световода (см. фиг. 3, спектр 3a) отчетливо выделяются две полосы: узкая полоса (полоса А), охватывающая диапазон (1305-1355) см^-1, связанная с присутствием оксида фосфора, и более широкая, содержащаяся в диапазоне (50-560) см^-1, связанная с присутствием плавленного кварца в сердцевине световода (полоса В). Для сравнения на фиг. 3, спектр 3b, приведен спектр рамановского рассеяния в световоде с сердцевиной из плавленного кварца. Таким образом, в описываемой конструкции трехкаскадного рамановского лазера (схема которого представлена на фиг. 2), преобразование частоты излучения в первом каскаде осуществляется с использованием полосы A, связанной с присутствием оксида фосфора в световоде. В остальных же двух каскадах рамановского преобразования используется полоса B спектра рамановского рассеяния фосфоросиликатного световода, связанная с силикатной основой световода.

На фиг. 4 представлены расчетные зависимости коэффициентов рамановского усиления, соответствующих стоксовым сдвигам около 440 и 1330 см^-1 в фосфоросиликатном световоде, от разности показателей преломления сердцевины световода и отражающей оболочки.

Во всех трех каскадах преобразования в качестве усиливающей рамановской среды в описываемой конструкции используется один и тот же отрезок фосфоросиликатного световода. Концентрация оксида фосфора в сердцевине этого световода (10 молярных процентов) выбрана таким образом, что коэффициенты рамановского усиления световода в максимумах полос А и В были примерно равны. Данное обстоятельство иллюстрируется графиком на фиг. 4 зависимости коэффициентов рамановского усиления от разности показателей преломления между сердцевиной и оболочкой фосфоросиликатного световода Δn, а поскольку Δn в этом световоде определяется концентрацией P₂O₅, то приведенный график одновременно представляет зависимость коэффициента рамановского усиления от концентрации P₂O₅. На графике фиг. 4 представлена зависимость коэффициента рамановского усиления в фосфоросиликатном световоде от Δn в максимуме полосы А (линия поз. 19 - расчетные значения, точка ▪ соответствует измеренному значению в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2, который был использован в лазере, схема которого приведена на фиг. 2.) и полосы В (линия поз. 20 - расчетные значения, точка • соответствует измеренному значению в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2). Коэффициенты рамановского усиления используемого световода были равны 6.8 дБ/(км•Вт) и 5.5 дБ/(км•Вт) в полосах А и В, соответственно.

На фиг. 5 представлен спектр излучения на выходе рамановского волоконного лазера, в соответствии с фиг. 2. Как показано на фиг. 5, на выходе рамановского лазера поз. 7 наблюдается излучение всех используемых в схеме длин волн. Пик поз. 21 соответствует длине волны накачки λ₀, пик поз. 22 длине волны первой стоксовой компоненты λ₁, поз. 23 - длине волны второй стоксовой компоненты λ₂, поз. 24 - длине волны третьей стоксовой компоненты λ₃. По вертикальной оси на графике фиг. 5 указаны значения той части мощности излучения, которая отводилась на спектроанализатор. Мощность излучения на длине волны 1407 нм более, чем на порядок превосходит мощность любой из предшествующих компонент.

На графике фиг. 6 показаны зависимости мощности излучения с длинами волн λ₀, λ₁, λ₂ и λ₃ на выходе рамановского лазера, схема которого представлена на фиг. 2, от мощности излучения накачки на входе в фосфоросиликатный световод. Выходная мощность трехкаскадного рамановского лазера на длине волны λ₃ = 1407 нм достигает 1 Вт (см. фиг. 6), при этом энергетический дифференциальный КПД составляет 36% и, соответственно, квантовый 47%.

Описание работы настоящего изобретения будет дано ниже на примере работы предпочтительного варианта реализации изобретения, а именно трехкаскадного рамановского волоконного лазера. В соответствии с фиг. 2, трехкаскадный рамановский волоконный лазер работает следующим образом.

Излучение матрицы лазерных диодов поз. 8 (длина волны 0.805 мкм) поглощается ионами неодима, находящимися в сердцевине неодимового световода поз. 10. В результате достигается условие генерации в неодимовом лазере, образованном неодимовым световодом поз. 10 и отражающими элементами в виде брэгговских решеток поз. 11 и поз. 12. Излучение неодимового лазера с длиной волны λ₀ выходит из резонатора лазера со стороны брэгговской решетки поз. 12 и через брэгговские решетки поз. 16, поз. 14 и поз. 18 (которые прозрачны для излучения с длиной волны λ₀) поступает в отрезок фосфоросиликатного световода поз. 2 и вызывает эффект спонтанного и вынужденного рамановского рассеяния в этом световоде. Брэгговская решетка поз. 5 возвращает непоглощенную в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2 часть излучения с длиной волны λ₀ обратно в отрезок фосфоросиликатного световода поз. 2. При слабом поглощении излучения с λ₀ в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2, брэгговская решетка поз. 5, коэффициент отражения которой близок к 100%, выполняет роль второго зеркала в резонаторе неодимового лазера. При достижении мощности излучения с длиной волны λ₀ порогового значения, возникает генерация за счет эффекта вынужденного рамановского рассеяния в резонаторе, образованном отрезком фосфоросиликатного световода поз. 2 и брэгговскими решетками поз.13 и поз. 14 на длине волны λ₁ - излучение первой стоксовой компоненты (первый каскад преобразования частоты излучения). Отрезок фосфоросиликатного световода поз. 2 является также частью оптических резонаторов на длины волн λ₂ и λ₃, образованных парами брэгговских решеток поз. 15-16 и поз. 17-18. Излучение первой стоксовой компоненты, в свою очередь, вызывает эффект спонтанного и вынужденного рамановского рассеяния в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2, что при достижении мощности излучения с длиной волны λ_1/ в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2 порогового значения приводит к возникновению генерации излучения с длиной волны λ₂ (вторая стоксова компонента) в резонаторе, образованном отрезком фосфоросиликатного световода поз. 2 и парой брэгговских решеток поз. 15 и поз. 16 (второй каскад преобразования). Аналогичным образом, излучение второй стоксовой компоненты также вызывает явление спонтанного и вынужденного рамановского рассеяния в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2, что при достижении мощности излучения с длиной волны λ₂ в отрезке фосфоросиликатного световода поз. 2 порогового значения приводит к возникновению генерации излучения с длиной волны λ₃ (третья стоксова компонента) в резонаторе, образованном отрезком фосфоросиликатного световода поз. 2 и парой брэгговских решеток поз. 17 и поз. 18 (третий каскад преобразования). В отличие от предыдущих резонаторов, брэгговская решетка поз. 17 имеет меньший коэффициент отражения, чем брэгговские решетки предшествующих каскадов, для обеспечения эффективного вывода излучения с длиной волны λ₃ из резонатора третьего каскада.

Несмотря на то, что в представленном описании рассмотрены различные варианты реализации как собственно заявляемого рамановского волоконного лазера, так и его структурных элементов, это было сделано в целях иллюстрации с возможностью внести ряд изменений в его выполнение, не выходя за рамки широкого объема притязаний. Объем притязаний настоящего ъ изобретения ограничен только прилагаемой формулой.

Промышленная применимость
Заявленное изобретение может быть использовано в системах световодной связи для накачки оптических усилителей, используемых в широкополосных волоконно-оптических системах связи, а также в областях, где требуется спектрально-селективное воздействие излучения на вещество в ближнем ИК-диапазоне, в частности в медицине, диагностике окружающей среды, химии.

Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике и промышленно применимо для накачки оптических усилителей, используемых в широкополосных волоконно-оптических системах связи. Рамановский волоконный лазер на фосфоросиликатном световоде содержит источник излучения накачки (1), отрезок фосфоросиликатного световода (2), по меньшей мере, две пары брэгговских решеток в качестве зеркал (3 и 4), при этом каждая пара брэгговских решеток формирует оптический резонатор, при этом передача энергии между резонаторами осуществляется вследствие вынужденного рамановского рассеяния как на сравнительно высокочастотных внутримолекулярных колебаниях, связанных с присутствием в световоде оксида фосфора, разность частот таких резонаторов выбирается из диапазона (1305 - 1355) см^-1, так и на сравнительно низкочастотных колебаниях, связанных с силикатной матрицей световода, сдвиг частот между такими резонаторами выбирается из диапазона (50 - 560) см^-1. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования излучения накачки в излучение предварительно заданной произвольной длины волны в диапазоне от длины волны накачки до 1,8 мкм. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Рамановский волоконный лазер, содержащий в качестве активной среды отрезок волоконного фосфоросиликатного световода, в состав которого входят SiO₂ и P₂O₅, источник оптического излучения накачки с частотой ν₀, по меньшей мере, две пары брэгговских решеток в качестве зеркал, при этом каждая пара брэгговских решеток формирует оптический резонатор, включающий, по меньшей мере, часть отрезка фосфоросиликатного световода, отличающийся тем, что частота ν₀ указанного источника оптического излучения накачки и частота каждого оптического резонатора ν_i, где i = 1 ... N, заданы таким образом, что часть значений разностей частот Δν_i = ν_i-1-ν_i принадлежит диапазону (1305 - 1355) см^-1, рамановское усиление в котором обусловлено присутствием P₂O₅ в фосфоросиликатном световоде, а остальные значения разностей частот Δν_i принадлежат диапазону (50 - 560) см^-1, рамановское усиление в котором обусловлено присутствием SiO₂ в фосфоросиликатном световоде, при этом каждому из диапазонов принадлежит хотя бы одно значение Δν_i.
2. Рамановский волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что на выходе рамановского волоконного лазера размещена дополнительная брэгговская решетка с коэффициентом отражения излучения на частоте ν₀ более 50%. 3. Рамановский волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что источник излучения накачки выполнен в виде неодимового волоконного лазера с частотой ν₀, выбранной из диапазонов (8930 - 9489), (10820 - 10870) и (7400 - 7700) см^-1. 4. Рамановский волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что источник излучения накачки выполнен в виде иттербиевого волоконного лазера с частотой ν₀, выбранной из диапазона (8900 - 10000) см^-1. 5. Рамановский волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что концентрация P₂O₅ в сердцевине указанного отрезка фосфоросиликатного световода лежит в диапазоне (8 - 15) мол.%. 6. Рамановский волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что в состав указанного отрезка фосфоросиликатного световода дополнительно введено соединение, по меньшей мере, одного химического элемента из группы: Ge, N, Ga, Al, F, Ti, B, Sn, S.