Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к высокояркостным одночастотным многомодовым источникам излучения на основе лазерных диодов с воздействием на них одночастотным лазерным излучением.
В настоящее время существуют различные способы получения одночастотного лазерного излучения. Известны динамически одночастотные инжекционные лазеры, которые устойчиво работают в режиме генерации одной продольной моды, такие как лазеры с распределенной обратной связью, с Брегговскими зеркалами, с внешними резонаторами [1]. Для использования с оптическими волокнами в оптических волоконных усилителях было предложено выполнять внешний резонатор инжекционного лазера в виде дифракционной волоконной решетки, нанесенной на центральной жиле (сердцевине) двойного оптического волокна [2]. Выходным излучением лазера является излучение в узкой полосе частот высокой мощности. Однако часто мощности одного лазерного диода бывает не достаточно.
Известны различные источники излучения на основе лазерных диодов, излучение которых суммируется для образования общего пучка излучения [3 - 8]. Такие системы позволяют достичь весьма высоких яркостей благодаря специальному расположению диодов и оптических элементов. Лазерный диод (инжекционный лазер с полосковой излучающей областью, в корпусе, с токовыми выводами), многомодовый является источником анаморфного излучения, что означает, что его расходимость в плоскостях, параллельных и перпендикулярных p-n переходу, существенно различны. В известных системах [4 - 8] высокая яркость достигается суммированием анаморфного излучения от индивидуальных мощных лазерных диодов с использованием оптической системы (набор призм [4 - 6] или фасетчатое зеркало [7 - 8]) для образования либо анаморфного, либо близкого к изоморфному, объединенного выходного пучка оптического излучения.
Наиболее близким является источник излучения на основе лазерных диодов, в соответствии с [4], который включает совокупность лазерных диодов, ориентированных относительно друг друга и относительно оптической системы, предназначенной для преобразования входящих в нее излучений лазерных диодов в объединенный выходной пучок оптического излучения. Излучающая область лазерных диодов обычно представляет собой излучающие полоски, имеющие прямоугольное сечение. Оптическая система содержит отображающее средство, помещенное между излучающими источниками и зоной фокусировки, в которое входит средство формирования излучения и средство фокусировки излучения. Средство формирования включает средства коллимирования излучения в перпендикулярных плоскостях, параллельных сторонам излучающих полосок, и они расположены непосредственно около выходных торцов лазерных диодов. Также в средство формирования входят набор призм, цилиндрические телескопы для создания объединенного выходного пучка.
Оптическая длина пути излучения от выходного торца одного из излучающих источников до зоны фокусировки отлична от соответствующей оптической длины пути излучения от выходного торца другого излучающего источника до той же зоны фокусировки в рассматриваемом известном устройстве [4]. В области приемного угла между средством фокусирования и зоной фокусировки (приемной площадкой) излучение от каждого излучающего источника занимает обособленное пространство. Отсутствуют перекрытия соседних пучков. В такой системе излучение индивидуального лазерного диода было плоским волновым пучком, находящимся рядом с соседними или отделенным тонкой перегородкой от соседних. Такая структура объединенного выходного пучка позволяет получать изображение в виде квадрата или прямоугольника, состоящего из тонких полосок или квадратов, наложенных друг на друга, и облучающихся под разными углами. Если оптическое волокно поместить в зону фокусировки для введения в него объединенного выходного пучка, то лучшими результатами являются: вводимая мощность излучения 26 Вт в 200-микронную сердцевину оптического волокна с апертурой NA, равной 0,2. Это значение соответствует яркости в 5 МВт/(см2·ср).
Однако системы, базирующиеся на индивидуальных лазерных диодах, имеют недостатки, вызванные вариацией свойств самих лазерных диодов. Разброс центров тяжести спектров излучения, электрических свойств (электросопротивление и рабочий ток) и термосопротивления упаковки приводит к тому, что спектр объединенного выходного пучка имеет существенную ширину (более 10-15 нм), низкую спектральную яркость. Это затрудняет применение систем из многих лазеров, например, для накачки волоконных и твердотельных лазеров. Традиционным решением этой проблемы является использование прецизионного термического контроля работы лазерных диодов, например с точностью 1oC. Известные системы из многих лазеров (см. [3-8]) имеют большие габариты и мало неприемлемы для применения во многих областях (например, в оптоволоконной связи).
Известны системы, в которых реализуется введение излучения от лазерных диодных линеек в оптическое волокно с помощью микрооптики [9]. При этом излучение вводят в оптическое волокно весьма малого диаметра. Однако в таких системах также между передаваемыми параллельными пучками излучений лазерных диодов линейки имеются промежутки, что не позволяет достигнуть высокой яркости выходного излучения.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена задача создания источника излучения на основе лазерных диодов со стабильным одночастотным излучением выходного единого пучка оптического излучения и стабилизации его излучающей мощности, с увеличенными спектральной и энергетической яркостью выходного единого пучка, уменьшенной расходимостью в обеих перпендикулярных плоскостях, повышенной направленностью выходного единого пучка оптического излучения, с повышенным коэффициентом ввода излучения, например, в оптическое волокно малого диаметра, со сниженными порогами генерации лазерных диодов, входящих в источник излучения, и возможностью подавления шумов задающего излучения от задающего средства в выходном едином пучке преобразованного одночастотного излучения, а также с уменьшенными габаритами и обеспечением технологичности изготовления и удобства применения, в том числе с оптическим волокном, имеющего различную форму поперечного сечения и размеры.
В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что предложен источник излучения на основе лазерных диодов, включающий совокупность лазерных диодов, ориентированных друг относительно друга и относительно оптической системы, предназначенной для преобразования входящих в нее излучений лазерных диодов в выходной единый пучок оптического излучения, причем полная ширина спектра выходного единого пучка оптического излучения совокупности лазерных диодов выбрана не более 15 нм, а также включающий введенное по крайней мере одно задающее средство получения по крайней мере одного задающего одночастотного излучения, оптически соединенное с активным слоем каждого лазерного диода, причем разность длин волн Δλ, соответствующих центру тяжести спектра выходного единого пучка и центру тяжести спектра задающего одночастотного излучения, выбрана не превышающей ± 15 нм.
Существом настоящего изобретения является создание высокояркостного одночастотного лазерного источника излучения на основе диодных лазеров при воздействии на них одночастотным излучением от задающего источника. Задан диапазон выбора длин волн лазерных диодов, определяющий спектр выходного единого пучка оптического излучения источника излучения. Определено согласование длины волны одночастотного излучения задающего источника и длины волны выходного пучка излучения, которую имеет источник излучения без воздействия на него задающего излучения, далее названного нами также и "исполняющий лазер".
Поставленная задача решается также тем, что мощность задающего одночастотного излучения, приходящаяся на каждый лазерный диод, выбрана из диапазона 1 мВт...100 мВт. При этом обеспечена стабилизация выходной мощности одночастотного источника излучения на основе лазерных диодов. Кроме того, возможна модификация исполнения предложенного источника излучения на основе лазерных диодов, в котором в конце оптической системы размещено средство фокусировки суммарного пучка излучения в зону фокусировки. При этом в зоне фокусировки может быть размещен входной конец оптического многомодового волокна, являющегося выводом выходного единого пучка оптического излучения, которое соединено с задающим средством получения задающего одночастотного излучения либо с его частью. Указанное приводит к удобству применения предложенного источника излучения на основе лазерных диодов.
Поставленная задача решается в предложенных различных исполнениях источников излучения на основе лазерных диодов, с воздействием на них одночастотным лазерным излучением.
В первом исполнении задающее средство выполнено в виде лазерного диода с одномодовым и одночастотным выходным излучением, расположенным вместо одного из лазерных диодов источника излучения, а также частично отражающего средства, помещенного в многомодовое оптическое волокно, причем расстояние от входного конца многомодового оптического волокна и его форма укладки должны обеспечивать возбуждение по крайней мере одной моды более высокого порядка, чем имеющаяся.
В одной из модификаций первого исполнения предложено частично отражающее средство выполнять в виде области по всему поперечному сечению оптического волокна. В другой модификации первого исполнения предложено частично отражающее средство выполнять в виде дифракционной решетки.
В таком исполнении возникает внешняя оптическая связь. Воздействие ее на совокупность лазерных диодов источника излучения может быть эффективным в случае введения в источник излучения одночастотного лазерного диода задающего средства, установленного вместо одного из лазерных диодов источника излучения. Задающее излучение такого одночастотного лазерного диода влияет на все лазерные диоды источника излучения через внешнюю оптическую связь. Спектр выходного единого пучка становится близким к одночастотному. Введение лазерного диода задающего средства в источник излучения позволило создать компактное, малогабаритное устройство практически одночастотного высокояркостного излучения.
Во втором исполнении предложено задающее средство выполнять в виде волоконного одномодового и одночастотного лазера на одномодовой центральной жиле, расположенной в многомодовом оптическом волокне, окружающем указанную жилу, причем резонатор волоконного лазера ограничен дифракционными решетками, сформированными на одномодовой центральной жиле, из которых ближайшая ко входу многомодового оптического волокна сформирована частично отражающей длину волны излучения волоконного лазера, а удаленная от входа многомодового оптического волокна дифракционная решетка сформирована отражающей длину волны излучения волоконного лазера, а также в задающее средство введен лазерный диод с длиной волны, выбранной соответствующей длине волны, необходимой для накачки волоконного лазера, помещенный вместо одного из лазерных диодов источника излучения.
В третьем исполнении предложено многомодовое оптическое волокно на конце, противоположном входному, формировать в виде Y-разветвителя, к концу одной части которого подсоединено задающее средство, выполненное в виде волоконного одномодового и одночастотного лазера на одномодовой центральной жиле, расположенной в многомодовом оптическом волокне, окружающем указанную жилу, причем резонатор волоконного лазера ограничен дифракционными решетками, выполненными на одномодовой центральной жиле, из которых ближайшая ко входу многомодового оптического волокна сформирована частично отражающей длину волны излучения волоконного лазера, а удаленная от входа многомодового оптического волокна дифракционная решетка сформирована отражающей длину волны излучения волоконного лазера, при этом конец другой части Y - разветвителя является выходным для источника излучения.
Использование одномодового и одночастотного волоконного лазера в качестве задающего средства обеспечивает стабильность воздействия одночастотным излучением. Во втором исполнении лазер более компактный и малогабаритный.
Поставленная задача решается также тем, что излучающие области лазерных диодов источника излучения выполнены в виде излучающих полосок, центры которых преимущественно расположены в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок, при этом оптическая система выполнена в виде отображающего средства, помещенного между лазерными диодами и зоной фокусировки и содержащего средство формирования излучения, включающее последовательно средства, коллимирующие излучения в плоскостях, параллельных коротким сторонам соответствующих излучающих полосок, и размещенные со стороны лазерных диодов для каждого из них, по крайней мере одно средство переноса излучения, обладающее по крайней мере на части своей протяженности возможностью частичного перекрытия излучений лазерных диодов, и общее средство, коллимирующее излучение в плоскости, параллельной длинным сторонам излучающих полосок.
Кроме того, количество лазерных диодов определено из диапазона 0,5 N... 1,5 N, где N выбрано целочисленным из условия
N = [a·sin(θa/2)]/[b·sin(θb/2)],
где а и b - размеры излучающих полосок лазерных диодов, соответственно, длинной и короткой сторон, а θa и θb - углы расходимости, соответственно, в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам излучающих полосок лазерных диодов.
Указанное позволяет получить изоморфное поперечное сечение выходного единого луча одночастотного излучения источника излучения на основе лазерных диодов.
Поставленная задача решается также тем, что средство переноса предложено сформировать таким образом, чтобы в нем оптические оси излучений лазерных диодов были параллельны друг другу. Кроме того, средство переноса предложено выбирать со степенью перекрытия, определенной в диапазоне 10%...40%. При этом средство переноса может быть выполнено с заданным изменением степени перекрытия излучений лазерных диодов, по крайней мере в плоскости, перпендикулярной длинным сторонам излучающих полосок, и по крайней мере в одном направлении, например с заданным изменением коэффициента преломления.
Кроме того, предложено оптическую длину от выходного торца каждого лазерного диода до зоны фокусировки выбирать равной (L ± Δ L), мкм, где Δ L - отклонение оптической длины, составляющее не более 1% от L.
Спектральная и энергетическая яркость значительно увеличивается при использовании предложенного исполняющего лазера с оригинальной оптической системой при воздействии через нее на лазерные диоды одночастотным излучением от задающего источника. В таком исполняющем лазере анаморфное излучение от индивидуальных мощных лазерных диодов, определенным образом ориентированных друг относительно друга, а также относительно предложенной оптической системы преобразуется в единый выходной пучок при помощи средства непосредственно суммирующего излучение, названного нами средством переноса. В предложенном средстве переноса происходит частичное перекрытие соседних излучений индивидуальных лазерных диодов (оптические оси этих излучений параллельны между собой). Это позволяет получить выходной единый, интегральный высокояркостный пучок с улучшенной направленностью от источника излучения. Использование предложенного средства переноса при распространении задающего излучения в обратном направлении позволяет ввести его в активные области лазерных диодов с высокой точностью и малыми энергетическими потерями. При этом обеспечены равенство долей мощности, приходящихся на каждый лазерный диод (1 мВт. . . .100 мВт), и однородность структуры спектра излучения задающего источника.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 - 10.
На фиг. 1 схематично изображено первое исполнение предложенного источника излучения на основе лазерных диодов с задающим средством одночастотного излучения - одночастотным лазерным диодом и частично отражающим средством.
На фиг. 2 изображен вид сверху принципиальной оптической схемы предложенного высокояркостного источника излучения (без задающего средства одночастотного излучения).
На фиг. 3 изображен вид сбоку принципиальной оптической схемы предложенного высокояркостного источника излучения (без задающего средства одночастотного излучения).
На фиг. 4 схематично изображено второе исполнение предложенного источника излучения на основе лазерных диодов с задающим средством одночастотного излучения - одночастотным волоконным лазером, накачиваемым лазерным диодом, установленным в источнике излучения.
На фиг. 5 схематично изображено третье исполнение предложенного источника излучения на основе лазерных диодов с задающим средством одночастотного излучения - одночастотным волоконным лазером, накачиваемым лазерным диодом, установленным вне источника излучения.
На фиг. 6 изображены спектральные зависимости интенсивности излучений источника излучения на основе лазерных диодов как без задающего средства - исходный спектр (в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3), так и с задающим средством одночастотного излучения первого исполнения (в соответствии с фиг. 1); а также изображен спектр отражения дифракционной решетки.
На фиг. 7 изображены спектральные зависимости интенсивности излучения источника излучения на основе лазерных диодов как без задающего средства - исходный спектр (в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3), так и с задающим средством одночастотного излучения третьего исполнения (в соответствии с фиг. 5) при шести различных значениях мощности излучения волоконного лазера (указаны различные значения тока накачки лазерного диода, накачивающего волоконный лазер); рассогласование центров тяжести спектров исполняющего и задающего лазеров (разности длин волн) Δλ равно 10 нм.
На фиг. 8 изображены спектральные зависимости интенсивности излучения источника излучения на основе лазерных диодов как без задающего средства - исходный спектр (в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3), так и с задающим средством одночастотного излучения третьего исполнения (в соответствии с фиг. 5) при шести различных значениях мощности излучения волоконного лазера (указаны различные значения тока накачки лазерного диода, накачивающего волоконный лазер); рассогласование центров тяжести спектров исполняющего и задающего лазеров (разности длин волн) Δλ равно 5 нм.
На фиг. 9 изображена зависимость интенсивности источника излучения на основе лазерных диодов с задающим средством одночастотного излучения третьего исполнения от мощности вводимого задающего излучения (указаны различные значения тока накачки лазерного диода, накачивающего волоконный лазер) для двух значений рассогласование центров тяжести спектров исполняющего и задающего лазеров (разности длин волн) Δλ, мкм, соответственно 10 нм (белые кружочки) и 5 нм (черные кружочки).
На фиг. 10 изображена спектральная зависимость интенсивности источника излучения на основе лазерных диодов с задающим средством одночастотного излучения третьего исполнения.
На фиг. 11 изображены ватт-амперные характеристики источника излучения на основе лазерных диодов в зависимости от мощности вводимого задающего излучения: сплошная кривая соответствует отсутствию задающего воздействия; пунктирная кривая соответствует мощности, равной 0,1 W, средства, накачивающего волоконный лазер; точечная кривая соответствует мощности, равной 0,5 W, средства, накачивающего волоконный лазер.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных исполнений со ссылками на прилагаемые чертежи 1-10. Приведенные примеры не являются единственными.
Предлагаемый источник излучения 1 (схематично изображен на фиг. 1) на основе лазерных диодов (на фиг. 1, 4 и 5 не показаны), излучающих на длине волны 1060 нм, имеет задающее средство 2 одночастотного излучения в первом исполнении. Данное задающее средство 2 состоит из частично отражающего средства 3 и задающего одночастотного и одномодового лазерного диода 4, который излучает на длине волны 1060 нм и помещен в источник излучения 1 вместо одного из лазерных диодов 4 источника излучения 1. В рассматриваемом случае длина волны лазерного диода 4 задающего средства 2 была выбрана совпадающей с длиной волны центра тяжести спектра выходного единого пучка источника излучения 1 без введения в него накачиваемого излучения. Соответственно была подобрана дифракционная решетка 3, являющаяся частично отражающим средством 3, в оптическом волокне 5.
В известных источниках излучения [4 - 6 и др.], которые могут быть использованы в предложенном устройстве, совокупность лазерных диодов строго ориентирована друг относительно друга. Для торцевых лазерных диодов излучающая область обычно представляет собой излучающие полоски, имеющие прямоугольное сечение. Лазерные диоды также определенно ориентированы относительно оптической системы, предназначенной для преобразования входящих в нее излучений лазерных диодов в выходной единый пучок оптического излучения. Оптическая система обычно содержит отображающее средство, помещенное между излучающими источниками и зоной фокусировки, в которое входит средство формирования излучения и средство фокусировки излучения. Средство формирования включает средства коллимирования излучения в перпендикулярных плоскостях, параллельных сторонам излучающих полосок. Они могут быть расположены как непосредственно около выходных торцов лазерных диодов, так и разделены другими оптическими элементами. Также в средство формирования обычно входят либо призмы [4 - 6], либо зеркала [7 - 8] для создания суммируемого луча.
На фиг. 2 и фиг. 3 изображены вид сверху (фиг. 2) и вид сбоку (фиг. 3) принципиальной оптической схемы высокояркостной предложенной нами оптической системы предложенного исполняющего лазера (далее называемого для краткости "СФ"). Лазерные диоды 6 (инжекционный лазер с полосковой излучающей областью, в корпусе, с токовыми выводами) широкополосные, многомодовые являются источниками анаморфного излучения. Количество лазерных диодов 6 выбрано из диапазона 0,5N ... 1,5 N, где N рассчитано по формуле N = [a·sin(θa/2)]/[b·sin(θb/2)], где а и b -размеры излучающих полосок лазерных диодов 6, соответственно, длинной и короткой сторон, а θa и θb - углы расходимости, соответственно, в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам излучающих полосок лазерных диодов 6. При размерах излучающей полоски (100 х 1) мкм2 в одном из вариантов можно выбрать 13 лазерных диодов 6 для получения изоморфного поперечного сечения выходного излучения. При нечетном числе лазерных диодов 6 один из них обычно располагают на оптической оси средства формирования излучения, а остальные - симметрично оптической оси средства формирования излучения. (Под оптической осью средства формирования излучения принята оптическая ось средства переноса (совпадающая с осью симметрии) и, как продолжение ее, оптическая ось коллимирующего средства, установленного после средства переноса.) Проведенные расчеты показали, что возможно получить практически квадратное поперечное сечение выходного излучения при меньшем числе лазерных диодов, сохраняя его требуемую высокую яркость. В модификации, изображенной на фиг. 2 и 3, отсутствует центрально расположенный лазерный диод 6. Нами выбрано 10 лазерных диодов 6, имеющих те же размеры излучающей полоски (100 х 1) мкм2. Для данной модификации приведены экспериментальные результаты по СФ и источникам излучения на основе лазерных диодов. Лазерное излучение от каждого лазерного диода 6 коллимируется в плоскости, параллельной короткой стороне излучающей полоски цилиндрическим коллиматором 7, помещенном около каждого лазерного диода 6, и передается для симметрично расположенных лазерных диодов 6 через входную грань на принимающую грань 8 сложного призматического средства переноса 9. Входная грань для симметрично расположенных лазерных диодов параллельна оптической оси средства формирования. (В случае расположения лазерного диода 6 на оптической оси средства формирования, входная грань перпендикулярна оптической оси средства формирования и совпадает для данного лазерного диода 6 с принимающей гранью 8). Каждая принимающая грань 8 средства переноса 9 вырезает наиболее яркую часть пучка падающего на нее излучения и отражает эту часть. При этом направление каждого пучка излучения лазерного диода 6 изменяется ("пучок поворачивается") так, что оптические оси всех пучков излучений лазерных диодов 6 распространяются параллельно в средстве переноса. Соседние излучения частично перекрываются примерно на 20% в данном конкретном примере. Образуемый в средстве переноса 9 единый пучок становится однородным в направлениях обеих осей после общего коллимирующего средства, а именно, общей цилиндрической линзы 10, коллимирующей единый пучок в плоскости, параллельной длинным сторонам излучающих полосок. Затем этот пучок фокусируется сферическим объективом 11 на торце 12 сердцевины оптического волокна 5.
В данном исполняющем лазере 1 лазерные диоды 6 оригинальным образом ориентированы друг относительно друга и относительно предложенной оригинальной оптической системы. Вследствие введения средства переноса 9 излучения с частичным перекрытием излучений соседних лазерных диодов 6, по крайней мере на части пути распространения излучения, система характеризуется низкими потерями. Выходное излучение СФ 1 не содержит провалов яркости между соседними пучками излучений индивидуальных лазерных диодов 6. В результате получен более однородный выходной единый пучок.
Таким образом, предложенный источник излучения позволил получить рекордные значения - 10 Вт в 50-микронной сердцевине с апертурой NA = 0.22 оптического волокна. Это соответствует яркости 40 МВт/(см2·ср). Необходимо отметить, что энергетическая яркость типичного лазерного диода более 100 МВт/(см2·ср). Видно, что энергетическая яркость нашей системы из многих лазерных диодов стремится к этому значению - в многомодовое 50-микронное оптическое волокно возможно ввести излучение с КПД более 50%. Если мы вводим излучение из внешнего источника через приемное оптическое волокно в источник излучения с предложенным средством переноса, излучение приходит в резонатор каждого лазерного диода даже с большим КПД (до 70%). Поэтому такая система позволила нам организовать эффективную обратную связь без рассеяния энергии на промежуточных элементах.
Нами были проведены исследования ряда источников излучения на основе лазерных диодов при воздействии на последние задающего одночастотного излучения. Лучшие результаты получены на предложенном нами СФ 1. Экспериментально полученные зависимости характеристик СФ 1 приводятся нами далее.
В первом исполнении СФ 1 был присоединен к оптическому волокну 5, в котором сформирована частично отражающая дифракционная решетка 3 (см. фиг. 1). Устройство работало следующим образом. На лазерные диоды 6 СФ 1 подавали ток накачки для получения генерации многомодового лазерного излучения. На лазерный диод 4 подавали также ток накачки для получения одномодового и одночастотного лазерного излучения. После прохождения оптической системы выходной единый пучок вводится в многомодовое оптическое волокно 5. После частичного отражения от дифракционной решетки 3 излучение проходит оптическую систему СФ 1 в обратном направлении и вводится в активные слои каждого лазерного диода 6. Далее преобразованное излучение лазерных диодов 6 повторно передается по оптической системе СФ 1 в прямом направлении для получения преобразованного выходного одночастотного единого пучка, которое вводится в многомодовое оптическое волокно 5 и частично проходит через частично отражающее средство 3. Часть его повторно отражается и вместе с отраженной частью излучения лазерного диода 4 задающего средства 2 и повторно направляется в СФ 1 и так далее.
Во втором исполнении (фиг. 5) СФ 1 был присоединен к 1061-нм одномодовому и одночастотному волоконному лазеру 13, сформированному на одномодовой центральной жиле (сердцевине диаметром 9 мкм) двойного оптического волокна с помощью дифракционных волоконных решеток и накачиваемому излучением с длиной волны 980 нм лазерным диодом 14 из СФ 1. Здесь, так же как в первом исполнении, один из лазерных диодов 6 СФ 1 заменен на лазерный диод 14, являющийся источником накачки волоконного лазера 13. Волоконная решетка 15, ближайшая к выходу СФ 1 имеет 20%-ное отражение излучения волоконного лазера 13, а удаленная дифракционная решетка 16 от выхода СФ 1 - 100%-ное отражение излучения волоконного лазера 13. Для организации синхронизации лазерных диодов 6 через излучение во всем СФ 1 волоконный лазер 13, работающий на 1060 нм, использовался как задающий лазер 2. Система СФ 1 работала как исполняющий лазер 1. Волоконный лазер 13 давал узкополосное (0.01 нм) излучение на длине волны 1060 нм в одномодовом оптическом волокне. Конец этого оптического волокна был приварен встык к 50/125 мкм многомодовому оптическому волокну 5, подсоединенному к СФ 1.
В третьем исполнении (см. фиг. 6) СФ 1 был присоединен в зоне фокусировки к многомодовому оптическому волокну 5 с Y-разветвителем 17 на противоположном его конце. Один конец 19 разветвителя 17 был приварен встык к 1061-нм волоконному лазеру 13, сформированному на сердцевине двойного оптического волокна с помощью дифракционных волоконных решеток 15 и 16 и накачиваемому излучением при длине волны 980 нм со свободного конца от источника накачки 18. Волоконная решетка 15, ближайшая к выходу СФ 1, имеет 20%-ное отражение излучения волоконного лазера 13, а удаленная дифракционная решетка 16 от выхода СФ 1 - 100%-ное отражение излучения волоконного лазера 13. Для организации синхронизации лазерных диодов 6 через излучение волоконный лазер 13, работающий на длине волны 1060 нм, использовался как задающий лазер 2. Система СФ 1 работала как исполняющий лазер 1. Волоконный лазер 13 давал узкополосное (0.01 нм) излучение на длине волны 1060 нм в одномодовом волокне. Для исключения обратной связи использовали оптический изолятор 20. Свободный конец 21 многомодового Y-разветвителя 17 использовался для вывода преобразованного выходного единого луча СФ 1.
Мощность излучения задающего лазера измеряли с помощью двух калиброванных Ge и Si фотодиодов, а его спектр анализировали с помощью спектрометра и CCD камеры, присоединенными к фотометрической сфере. Вся полученная информация передавалась на компьютер, который позволял осуществлять накопление информации и контроль экспериментальной информации в режиме реального времени.
На фиг. 6 изображен спектр излучения системы в первом исполнении (кривая 22), который записывался на свободном выходе оптического волокна 5 (см. фиг. 1). Исходный спектр излучения СФ 1 (кривая 23) перед его присоединением к оптическому волокну 5 с дифракционной решеткой - частично отражающим средством 3 растянут практически на 10 нм. Спектр отражения дифракционной решетки 3 (частично отражающего средства) также показан на фиг. 6 (кривая 24). Часть излучения отражалась от дифракционной решетки 3 с узкой спектральной линией и возвращалась обратно в активные слои лазерных диодов 6. Преобразованное излучение СФ 1, пройдя частично отражающее средство 3, выходило через многомодовое оптическое волокно 5 (кривая 22).
Как следует из вида кривой 22, исходный спектр существенно изменился из-за введения задающего излучения, отраженного дифракционной решеткой 3 в резонатор лазерных диодов 6. Спектр имеет характерную лямбда-форму, а именно, резкий пик на линии решетки 5, спад в коротковолновой части и длинный хвост в длинноволновой части. Предложенным устройством решается поставленная задача.
Однако использование лазерного диода 4 в задающем средстве из-за невысокой стабильности его характеристик, не всегда желательно. Значительно лучше для данных целей использовать волоконный лазер, с высоко стабильными одномодовыми и одночастотными характеристиками.
На фиг. 7-11 приведены полученные результаты для третьего исполнения. Для второго исполнения были получены аналогичные результаты.
Графическая зависимость спектра исполняющего лазера 1 от тока накачки задающего лазера 2 изображена на фиг. 7 и 8 для двух рассогласований центров тяжестей спектров между исполняющим 1 (штрихпунктирные прямые 25 для длины волны λсф и задающим 2 (штрихпунктирные прямые 26 для длины волны λм лазерами (при разности длин волн Δλ, равной λм-λсф ), а именно, для Δλ, равной 10 нм (фиг. 7), и для Δλ, - равной 5 нм (фиг. 8). Могут быть случаи, когда λм меньше λсф. Типичные спектральные зависимости 27 (фиг. 7) и 28 (фиг. 8) соответствовали исходному спектру СФ 1. Полученные величины в данных частных случаях полной ширины спектра выходного единого пучка оптического излучения совокупности лазерных диодов соответственно составили порядка 12 нм (см. зависимость 27 на фиг. 7) и около 13 нм (см. зависимость 28 на фиг. 8). Спектральные зависимости 29 - 34 (фиг. 7) и 35-40 (фиг. 8) соответствовали преобразованному единому пучку после воздействия задающего излучения различной мощности (на шкале ординат указаны величины тока накачки источника накачки волоконного лазера 13). Необходимо отметить, что спектральное разрешение было низким при получении этих спектров. Ширина пика на длине волны задающего лазера 2 соответствовала спектральной ширине щели спектрометра.
Однако можно видеть, что спектр СФ 1 при увеличении мощности воздействующего излучения вначале плавно перераспределяется. Широкополосное излучение СФ 1 сильно подавляется с увеличением излучения задающего лазера 2 и СФ 1 начинает работать на длине волны задающего лазера 2. Общая интегральная интенсивность СФ 1 при этом не изменяется. Видно, что излучаемая оптическая мощность СФ 1 перераспределяется с образованием мощного узкополосного излучения (фиг. 7 и 10). Набор спектров на рис. 7 соответствует большому рассогласованию центров тяжестей спектров. Спектральные зависимости на фиг. 8 соответствуют малой разности длин волн Δλ (т.е. малому рассогласованию центров тяжести спектров). Видно, что все эффекты здесь проявляются сильнее.
При исследовании зависимости выходной мощности исполняющего лазера 1 на длине волны задающего лазера 2 от мощности задающего лазера 2 (см. фиг. 9) ясно наблюдается эффект насыщения генерации пика исполняющего лазера 1 (как для Δλ, равной 10 нм - белые кружочки 41, так и для Δλ, равной 5 нм - черные кружочки 42). Синхронизация лазерных диодов 6 через задающее излучение становится более эффективной при уменьшении рассогласования центров тяжестей спектров задающего 2 и исполняющего 1 лазеров. Стабильность длины волны выходного единого пучка преобразованного излучения зависит от стабильности длины волны волоконного лазера 13, которая, как известно, очень высокая.
Из всех проведенных нами большого числа экспериментов нам удалось установить, что для эффективной работы предложенного источника излучения на основе лазерных диодов с одночастотной накачкой необходимо выполнение следующих условий:
- полная ширина спектра выходного суммарного пучка излучения совокупности лазерных диодов 6 должна быть выбрана не более 15 нм (см. фиг. 7 и 8), а
- разность длин волн Δλ, соответствующих центру тяжести спектра выходного единого пучка СФ 1 и центру тяжести спектра задающего одночастотного излучения, не должна превышать ± 15 нм (см. фиг. 7 и 8). Эмпирически доказано, что при превышении данных условий не будет решена поставленная задача. Спектральная характеристика предложенного одночастотного источника излучения изображена на фиг. 10. Ширина одночастотного спектра соответствовала ширине одночастотного спектра волоконного лазера 13.
Увеличение мощности задающего лазера 2 вызывает изменения в зависимости от мощности излучения - ток исполняющего лазера 1 (фиг. 11). (Сплошная кривая 43 на фиг. 11 соответствует отсутствию задающего воздействия; пунктирная кривая 44 там же соответствует мощности, равной 0,1 W, средства, накачивающего волоконный лазер; точечная кривая 45 там же соответствует мощности, равной 0,5 W, средства, накачивающего волоконный лазер.) Без воздействия внешнего излучения оптический выход исполняющего лазера 1 (см. фиг. 11, непрерывная кривая 43) начинается при достаточно низком токе накачки лазерных диодов 6. При появлении воздействия внешнего излучения на лазерные диоды 6, при его возрастании наблюдается, как и следовало ожидать, снижение пороговых токов лазерных диодов 6, но наклон этой характеристики изменяется незначительно. Так при мощности накачки волоконного лазера 13, равной 0,1 W, была получена зависимость Мощность - Ток СФ 1 в виде пунктирной кривой 44 (см. фиг. 11), а при мощности накачки волоконного лазера, равной 0,5 W, получена указанная зависимость в виде точечной кривой 45 (см. фиг. 11).
Дополнительным преимуществом синхронизации лазерных диодов 6 через задающее излучение является то, что практически нет влияния шумов задающего лазера 2 на преобразованный спектр исполняющего лазера 1 в области насыщения мощности (фиг. 9). Из набора спектров, записанных при разных интенсивностях задающего лазера 2 (фиг. 7, 8) можно сделать вывод, что выходная мощность СФ 1 на длине волны задающего лазера 2 является функцией интенсивности задающего лазера 2 и стремится к насыщению (см. фиг. 9). В результате шум волоконного лазера 13 при 1-100 кГц не передавался в выходное излучение исполняющей системы 1, состоящей из многих лазерных диодов 6.
Проведенные эксперименты предложенного нами источника излучения на основе лазерных диодов с воздействием на них одночастотного задающего излучения позволили заключить, что поставленная задача полностью решена.
Кроме того, считаем возможным обратить внимание на следующее.
1. Спектральная и энергетическая яркость источника излучения из многих лазерных диодов 6, служащего в качестве исполняющего лазера 1, зависит от внешней оптической обратной связи. Происходит синхронизация лазерных диодов 6 исполняющего лазера 1 под воздействием излучения одночастотного и одномодового лазерного диода 4, отраженного от частично отражающего средства, задающего лазера 2.
2. Происходит синхронизация лазерных диодов 6 исполняющего лазера 1 через задающее излучение с использованием задающего волоконного лазера 13. Стабилизируется выходное излучение исполняющего лазера 1 по частоте и мощности. При определенной мощности излучения задающего лазера 2 ширина спектра единого выходного пучка излучения исполняющего лазера 1 достигает ширины спектра излучения задающего лазера 2. При определенных условиях ширина спектра выходного единого пучка может быть уже спектра задающего волоконного лазера 13. Дальнейшее повышение мощности излучения задающего лазера 2 не влияет на спектр выходного единого пучка.
3. Задающий лазер 2 снижает порог выходного единого пучка излучения исполняющего лазера 1 и изменяет спектр этого излучения.
4. Шум интенсивности задающего лазера 2 отсутствует в выходном едином пучке исполняющего лазера 1.
Промышленная применимость
Предложенные источники излучения используются в системах связи, являясь важной частью оптических коммуникационных систем, для накачки твердотельных лазеров, при создании лазерного технологического оборудования, медицинского оборудования, измерительных устройств и т.д.
Литература
1. Физика полупроводниковых лазеров/ Под ред. Х.Такумы, М.: Мир, 1989, гл. 6, с. 137-158.
2. Патент США 5485481, 16.01.96, H 01 S 3/10, 372-6.
3. T. Y. Fan and A. Sanchez. Pump Source Requirements for End-Pumped Lasers, IEEE Journal of Quantum Electronics, 26, p. 311-316, 1990.
4. US 005463534 A, 1995, F 04 V 7/04, 362/32.
5. WO 92/02844 A1, 1992, G 02 B 27/00, H 01 S 3/094.
6. US 005319528 A, 1994, F 21 V 7/04, 362/32.
7. D.S. Goodman, W.L. Gordon, R. Jollay, J.W. Roblee, P. Gavrilovic, D. Kuksenkov, A. Goyal, and Z. Qiunxin. High-Brightness Multi-Laser Source, Preprint-SPIE, 3626A, January, 1999.
8. W.T. Plummer, J.W. Roblee, and D.S. Goodman. Monolithic Multi-Faceted Mirror for Combining Multiple Beams from Different Light Sources by Reflection, US Patent 5933278, August, 1999.
9. Международная заявка WO 96/04584, 1996, G 02 В 27/10.
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к высокояркостным одночастотным многомодовым источникам излучения на основе лазерных диодов с воздействием на них одночастотным лазерным излучением. Предложен источник излучения, включающий совокупность лазерных диодов, ориентированных друг относительно друга и относительно оптической системы. Полная ширина спектра выходного единого пучка оптического излучения совокупности лазерных диодов выбрана не более 15 нм. В источник излучения введено по крайней мере одно задающее средство получения по крайней мере одного задающего одночастотного излучения, оптически соединенное с активным слоем каждого лазерного диода. Разность длин волн Δλ, соответствующих центру тяжести спектра выходного единого пучка и центру тяжести спектра задающего одночастотного излучения, выбрана не превышающей ±15 нм. Возможна модификация исполнения предложенного источника излучения на основе лазерных диодов. Количество лазерных диодов определено из диапазона 0,5N...1,5N, где N выбрано целочисленным из условия N = [a·sin(θa/2)]/[b·sin(θb/2)], где а и b - размеры излучающих полосок лазерных диодов соответственно длинной и короткой сторон, а θa и θb - углы расходимости, соответственно, в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам излучающих полосок лазерных диодов. Результатом явилось создание высокояркостного одночастотного лазерного источника излучения, на основе лазерных диодов, с улучшенными качественными характеристиками и техническими показателями. 2 с. и 15 з.п.ф-лы. 11 ил.
N = [a·sin(Θa/2)]/[b·sin(Θb/2)],
где а и b - размеры излучающих полосок лазерных диодов, соответственно, длинной и короткой сторон;
Θa и Θb - углы расходимости, соответственно, в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам излучающих полосок лазерных диодов.
| US 5463534 A, 31.10.95 | |||
| WO 9202844, 20.02.92 | |||
| US 4807954 A, 28.02.89 | |||
| US 5349600 A, 20.09.94 | |||
| DE 4117865 A1, 03.12.92 | |||
| RU 2001481 C1, 15.10.93 | |||
| JP 11026844 A, 29.01.99. |
