ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМ УДВОЕНИЕМ ЧАСТОТЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам с удвоением частоты, генерирующим в видимой области спектра, которые могут найти применение как источники излучения для таких технологий, как сверхплотная оптическая память (а также запись), цветная лазерная печать, цветные лазерные дисплеи, биомедицинская диагностика (цитометрия, расшифровка ДНК), аналитические измерения (рамановская спектроскопия, спектрофлюорометрия, конфокальная микроскопия), судебно-медицинская экспертиза и другие.

Волоконные лазеры - это лазеры нового типа, в которых активной средой является оптическое волокно. Они имеют целый ряд преимуществ по сравнению с другими лазерами: высокое качество пучка, компактность, стабильность выходных параметров, надежность, отсутствие водяного охлаждения, простота эксплуатации, относительно низкая стоимость, что делает их привлекательными для потребителя. Поэтому в последние годы в мире активно разрабатываются различные схемы волоконных лазеров для различных применений, в основном это непрерывные и импульсные волоконные лазеры с диодной накачкой различной мощности на основе волокон, легированных ионами иттербия (Yb), неодима (Nd), эрбия (Er) (в т.ч. дополненные рамановскими преобразователями), генерирующие в области длин волн более 1 микрона, которые по своим характеристикам уже превосходят лазеры других типов.

Для генерации в видимой области спектра, в частности сине-зеленой, необходимо удваивать частоту излучения волоконного лазера, что является непростой задачей (особенно в непрерывном режиме) из-за специфических поляризационных и спектральных характеристик волоконных лазеров. Решение задачи эффективного удвоения частоты волоконных лазеров позволит создать непрерывные волоконные источники лазерного излучения в видимой области спектра: в частности, сине-зеленые лазеры с длиной волны 450-570 нм, генерируемой при удвоении частоты наиболее мощного иттербиевого и неодимового волоконного лазера, а также желто-красные лазеры 740-810 нм, 550-850 на основе эрбиевого и рамановского волоконных лазеров.

Эффективные, надежные и компактные волоконные лазеры с удвоением частоты смогут заменить требующие больших энергетических ресурсов и сложные в эксплуатации аргоновые лазеры и постепенно приходящие им на смену более эффективные, чем аргоновые, но достаточно сложные и дорогие твердотельные лазеры с удвоением частоты для сине-зеленой области, лазеры на красителях и одномодовые диоды для желто-красного диапазона.

Эффективное удвоение частоты волоконных лазеров продемонстрировано для импульсных волоконных лазеров в ограниченном диапазоне длин волн (вокруг 540 и 780 нм), соответствующих второй гармонике наиболее сильных линий иттербиевого и эрбие-вого волоконных лазеров, например, R.J.Thompson, M.Tu, D.С.Aveline, N.Lundblad, L.Maleki, High power single frequency 780-nm laser source generated from frequency doubling of a seeded fibre amplifier in a cascade of PPLN crystals. Optics Express, 11 (14), 1709 (2003) [1].

Вторая гармоника генерируется при прохождении излучения через внешний нелинейный кристалл - обычно это специальные периодически-ориентированные кристаллы типа PPLN, РРКТР и др., в которых эффект сноса периодически компенсируется, что позволяет увеличить длину кристалла. Для непрерывных систем в синей области эффективность генерации в однопроходной схеме очень мала даже для длинных кристаллов: из 2.7 Вт излучения иттербиевого лазера (978 нм) было получено не более 18 мВт второй гармоники (489 нм), что соответствует эффективности удвоения ˜0,7% (D.В.S.Soh, С.Codemard, S.Wang, J.Nilsson, J.К.Sahu, F.Laurell, V.Philippov, Y.Jeong, C.Alegria, S.Baek, A 980-nm Yb-doped fibre MOPA source and its frequency doubling, IEEE Photonics Technology Letters, 16 (4), 1032-1034 (2004)) [2].

При этом конструкция такого лазера очень сложная и дорогая: лазер представляет собой источник одночастотного линейно-поляризованного излучения в схеме МОРА (задающий лазер-усилитель мощности) и внешний однопроходный удвоитель частоты на основе периодически-ориентированного кристалла (РРКТР в конкретной схеме). В зеленой и красной области эффективность преобразования может быть и выше, однако при большой мощности периодические структуры быстро деградируют, при этом они очень дорогие.

Более эффективной представляется схема внутрирезонаторного удвоения частоты, поскольку она позволяет повысить интенсивность основного излучения, падающего на нелинейный кристалл, и, как следствие, эффективность преобразования, а также использовать не только длинные периодически-ориентированные кристаллы, но и обычные нелинейные кристаллы (КТР, LBO, LiNbO₃, KN, BBO, BiBO и др.) стандартной длины, что позволяет упростить и удешевить систему.

Излучение волоконного лазера обычно хаотически (случайно) поляризовано и имеет большую ширину спектра, определяющуюся в основном спектральным профилем отражения зеркал (волоконных брэгговских решеток). Низкая спектральная плотность мощности и случайная поляризация усложняют решение задачи эффективного удвоения с использованием стандартного волоконного лазера в качестве источника основного излучения. Тем не менее, известны запатентованные варианты решений и реальные попытки практической реализации волоконного лазера с внутрирезонаторным удвоением частоты.

В описании изобретения в патенте РФ N2269849, приоритет от 14.03.2001 (ЕР 01106261.9) [3] приведено решение для комбинационного (или рамановского, согласно зарубежной терминологии) волоконного лазера с удвоением частоты, в котором предлагается генерировать желтое излучение (589 нм) в нелинейном кристалле (генераторе второй гармоники), размещенном внутри резонатора рамановского волоконного лазера (1178 нм), образованного оптическим волокном и двумя зеркалами: роль первого зеркала выполняет брэгговская решетка, записанная непосредственно в оптическом волокне, а второго - объемное зеркало, вынесенное за пределы волокна. Кристалл размещается в воздушном промежутке между волокном и объемным зеркалом, для передачи и фокусировки излучения из волокна в кристалл между ним и волокном размещается согласующая линза, а для вывода второй гармоники из резонатора используется дихроичное плоское зеркало. При этом в схеме отсутствуют поляризующие и селектирующие элементы, обеспечивающие генерацию поляризованного излучения с малой спектральной шириной.

В работе Y.Feng, S.Huang, A.Shirakawa, and К.Ueda, Multiple-color cw visible lasers by frequency sum-mixing in a cascading Raman fiber laser. Opt. Express 12, 1843-1847 (2004) [4] описана практическая реализация данного решения. Для удвоения использовался кристалл LBO с некритичным синхронизмом первого типа, помещенный в резонатор комбинационного (рамановского) волоконного лазера. Полученная эффективность преобразования излучения накачки иттербиевого лазера во вторую гармонику комбинационного лазера составила ˜0.1%. При этом выходная мощность насыщалась и не превышала уровня 10 мВт. Одной из причин низкой эффективности удвоения является малый нелинейный коэффициент кристалла LBO - даже при отсутствии сноса в некритичном синхронизме он обладает на порядок более низкой эффективностью преобразования, чем, например, кристалл КТР. Кроме того, при первом типе синхронизма удваивается только одна линейная поляризация излучения волоконного комбинационного лазера, что для реальной системы с неполяризованным (случайно поляризованным) излучением приводит к уменьшению мощности второй гармоники в 4 раза. Коэффициент преобразования дополнительно уменьшается в несколько раз из-за большой спектральной ширины основного излучения (>1 нм) и неоптимальной фокусировки в кристалл при использовании плоского зеркала.

Известно решение, защищенное патентом US N5966391, 12.10.1999 [5], в котором предлагается схема линейно-поляризованного волоконного лазера с внутрирезонаторным удвоением частоты. В данном варианте лазер включает длинное легированное (Yb, Er, Nd и т.п.) оптическое волокно, помещенное в резонатор из дихроичных зеркал. Первое пропускает излучение накачки и отражает генерируемое излучение (в области ˜1,06 мкм) и может быть выполнено в виде внутриволоконной брэгговской решетки. Второе дихроичное зеркало отражает основное излучение (1,06 мкм) и пропускает излучение второй гармоники (0,53 мкм) и выполняется в виде объемного зеркала. В промежуток между волокном и выходным объемным зеркалом помещаются согласующая линза и нелинейный кристалл, аналогично [3, 4]. Дополнительно в резонаторе размещаются контроллер и селектор поляризации, выполненные в виде волоконных или объемных элементов. В результате лазер должен генерировать линейно-поляризованное излучение, что при использовании для удвоения частоты кристаллов с синхронизмом первого типа позволяет увеличить мощность второй гармоники в 4 раза. Однако в данной схеме не приняты меры для повышения спектральной плотности мощности, а кроме того, схема с селекцией и контролем поляризации намного сложнее обычной - включает много дополнительных элементов и требует активной стабилизации состояния поляризации излучения.

Таким образом, недостатки известных решений по внутрирезонаторному удвоению частоты можно сформулировать следующим образом: в них не приняты меры для повышения спектральной плотности мощности за счет сужения спектра и оптимальной фокусировки в кристалл; использование кристаллов с синхронизмом первого типа (напр., LBO) или периодически-ориентированных кристаллов (типа PPLN, PPKTP) требует линейно-поляризованного основного излучения, при этом схема волоконного лазера с селекцией и контролем линейной поляризации на основной частоте очень сложная, а обычная схема с неполяризованным излучением проста и надежна, но эффективность удвоения в ней в 4 раза меньше, а при использовании кристаллов со вторым типом синхронизма (напр., КТР), для которых необходимо иметь две перпендикулярные линейные поляризации (или случайную поляризацию, как в обычном волоконном лазере), эффективность ограничена эффектом сноса, который не позволяет увеличить длину кристалла и оптимально сфокусировать излучение в кристалл.

Задачей настоящего изобретения является создание волоконного лазера с внутрирезонаторным удвоением частоты на основе простой неполяризованной схемы, но при этом обладающей высокой эффективностью удвоения (не хуже, чем у сложной поляризованной схемы).

Данная задача решена за счет применения специальной схемы фокусировки в кристалл со вторым типом синхронизма (напр., КТР) и дополнительной спектральной селекции, позволяющих увеличить спектральную плотность излучения, использовать обе поляризации излучения и уменьшить эффект сноса.

Данное решение позволяет создать простой, надежный и дешевый волоконный источник излучения в сине-зеленом диапазоне с улучшенными по сравнению с аналогами техническими и эксплуатационными характеристиками, что расширяет область применений таких лазеров.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном волоконном лазере с внутрирезонаторным удвоением частоты, включающем источник накачки, активное оптическое волокно, помещенное в резонатор из дихроичных зеркал, первое из которых пропускает излучение накачки и отражает генерируемое основное излучение, второе дихроичное зеркало вынесено за оптическое волокно и отражает основное излучение, нелинейный кристалл, помещенный между оптическим волокном и вторым зеркалом, и первый и второй фокусирующие элементы, в частности первая и вторая линзы, используется кристалл с синхронизмом второго типа, ориентированный таким образом, чтобы обеспечить наименьший угол сноса для генерируемой второй гармоники, первый и второй фокусирующие элементы обеспечивают фокусировку проходящего пучка примерно в середину нелинейного кристалла, в промежуток между волокном и кристаллом введен спектральный селектор для сужения спектра и стабилизации выходной мощности, выполненный в виде брэгговской решетки непосредственно на конце волокна, фильтра или интерферометра, и третье выходное дихроичное зеркало, которое отражает основное излучение и пропускает вторую гармонику, а второе дихроичное зеркало отражает как основное излучение, так и вторую гармонику и с дополнительным третьим фокусирующим элементом образует телескопический отражатель, обеспечивающий оптимальную фокусировку и компенсацию эффекта сноса в кристалле.

Данный вариант является оптимальным, предложены также варианты лазера, направленные на достижение различных составляющих технических эффектов.

Описание лазера поясняется фиг.1, где представлена предложенная и реализованная схема волоконного лазера с внутрирезонаторным удвоением частоты.

На чертеже LD - диодный лазер накачки, PC - мультиплексор накачки, M₁ - первое дихроичное зеркало, М₂ - второе дихроичное зеркало, М₃ - третье дихроичное зеркало, DF - активное (легированное) оптическое волокно, S - узкополосный спектральный селектор, фокусирующие элементы: L₁ - первая фокусирующая линза, L₂ - вторая фокусирующая линза, L₃ - третья дополнительная фокусирующая линза, NC - нелинейный кристалл с вторым типом синхронизма (напр., КТР), помещенный в термостат Т°.

Описание предложенного решения

Для удвоения был взят кристалл КТР с высокой эффективностью преобразования и возможностью использования обеих поляризаций. Кристалл КТР (d_eff=3.88 пм/В) позволяет использовать неполяризованное (случайно поляризованное) излучение Yb волоконного лазера даже при ширине спектра генерации ˜1 нм. Это по спектральным характеристикам в 4 раза лучше, чем у периодически-ориентированных кристаллов PPLN (d_eff=16 пм/В) и РРКТР (d_eff=5.3 пм/В), которые требуют линейной поляризации для своей работы. Хотя коэффициент преобразования у КТР несколько меньше, чем у РРКТР (d_eff ²=15 и 28 соответственно), при использовании неполяризованного излучения он в 2 раза выше, чем у последнего.

Традиционно кристалл КТР в диапазоне длин волн вблизи 1 мкм используется со вторым типом синхронизма ое→е или ое→о. При этом даже небольшой снос необыкновенной е волны значительно уменьшает эффективность генерации второй гармоники, J.-J.Zondy, Comparative theory of walkoff-limited type-II versus type-I second-harmonic generation with Gaussian beams, Opt. Commun. 81, 427-440 (1991) [6]. Величина сноса для традиционной длины волны Nd лазера 1064 нм составляет 4 мрад, а для экспериментально реализованной нами длины волны 1085 нм составляет 10 мрад. Для оценки уменьшения эффективности преобразования традиционно используется параметр сноса B=ρ(k_ωL)^l/2/2, где ρ - угол сноса, k_ω - волновой вектор основной волны в кристалле, L - длина кристалла. Параметр В равен 0.63 и 1.7 для кристалла длиной 10 мм для указанных выше величин сноса, соответственно. Согласно данным, приведенным в вышуказанной работе, уменьшение коэффициента преобразования составляет 2 и ˜7 раз соответственно.

Уменьшение коэффициента преобразования можно до некоторой степени скомпенсировать при наклонном падении излучения накачки на кристалл. При этом используется эффект двулучепреломления и векторный синхронизм.

Используемый нами кристалл был вырезан для критичного коллинеарного синхронизма с отклонением 3.7° от кристаллографической оси (XZ при 60°С). Оптимальный угол среза может изменяться в диапазоне от 0 до 20° в зависимости от длины волны (от 1079 до 1110 нм соответственно). При угле среза 3.7° для λ=1085 нм различие углов синхронизма при отклонении от нормального падения в одну и другую стороны составило +3° и -17° соответственно. Углы разбегания лучей накачки ортогональных поляризаций составили 8.7 и -2.4 мрад соответственно. В результате уменьшения разбегания волн накачки эффективность преобразования в 2 раза выше для большего отклонения от нормального падения на кристалл и составила ˜10^-3 1/Вт. Согласно Z.Ou, S.Pereira, E.Polzik, and H.Kimble, 85% efficiency for cw frequency doubling from 1.08 to 0.54 μn, Opt. Lett. 17, 640-642 (1992) [7], оптимальный коэффициент преобразования при отсутствии сноса составляет ˜2×10^-3 1/Вт для 10 мм кристалла. Таким образом, нам удалось заметно увеличить коэффициент преобразования.

Кроме уменьшения эффективности преобразования, снос приводит к формированию двух параллельных пучков накачки ортогональной поляризации после прохождения кристалла. Данное обстоятельство затрудняет использование кристалла внутри резонатора. Стандартным решением данной проблемы является использование плоского зеркала, возвращающего оба пучка по тому же пути (см., например, [3]). Это приводит к смещению точки фокусировки за пределы кристалла, что значительно уменьшает коэффициент преобразования во вторую гармонику.

Был создан оригинальный телескопический отражатель «линза-зеркало», позволяющий сохранить оптимальную фокусировку в кристалл для обеих поляризаций и вернуть оба пучка по их пути строго назад.

Схема хода лучей представлена на фиг.2, где NC - нелинейный кристалл второго типа (например, КТР), f - фокусное расстояние линзы L, R - радиус кривизны зеркала М, d - расстояние до перетяжки возвращаемого пучка. Сплошная и прерывистая линия обозначают распространение необыкновенного и обыкновенного лучей соответственно.

Кроме того, проведен расчет работы отражателя с гауссовыми пучками с помощью матричного ABCD-метода. Результаты показали, что дополнительным полезным свойством предложенного отражателя является то, что он возвращает гауссов пучок назад без изменения размера и положения перетяжки. При этом расстояние d до перетяжки возвращаемого пучка определяется параметрами отражателя и не зависит от размеров пучка: d=(f+R)f/R. Это позволяет реализовать двухпроходную схему преобразования с оптимальным согласованием пучков основного излучения и второй гармоники и тем самым увеличить эффективность преобразования в 2 раза.

К преимуществам волоконного лазера (например, перед твердотельными) относится возможность плавного изменения частоты генерации в диапазоне десятков нанометров и получения перестраиваемого излучения во второй гармонике, например в области 480-570 нм для иттербиевого волоконного лазера. С точки зрения перестройки частоты использованная ориентация кристалла имеет преимущества перед вариантом некритичного температурного синхронизма, который имеет ограниченный диапазон длин волн: 539-541 нм для кристалла КТР при разумных температурах.

Зеркала M₁, M₂ и М₃ формируют резонатор, что позволяет получить лазерную генерацию для основного излучения с длиной волны в указанном спектральном диапазоне. Дихроичное зеркало M₁ пропускает излучение накачки и отражает основное излучение - оно может быть сформировано непосредственно внутри волокна в виде волоконной брэгговской решетки, обладающей относительно узким спектром отражения (0,03-1 нм) и позволяющей перестраивать длину волны посредством сжатия-растяжения участка волокна, в котором записана решетка.

Внутрь резонатора для сужения спектра может вставляться также дополнительный спектральный селектор S, представляющий собой узкополосный фильтр или интерферометр (волоконный или объемный), в случае волоконного исполнения он может быть выполнен на основе брэгговской(их) решетки(ок), в качестве варианта возможно его интегрирование с зеркалом M₁ или М₃.

Дихроичное зеркало М₂ выполняется в виде объемного оптического элемента со спектральными характеристиками, обеспечивающими высокий коэффициент отражения как на основной частоте, так и второй гармонике. Вывод генерируемого излучения второй гармоники осуществляется через выходное поворотное дихроичное зеркало М₃, имеющее высокий коэффициент отражения на основной частоте, но прозрачное для второй гармоники - в этом случае мощность второй гармоники, генерируемой за два прохода интенсивного внутрирезонаторного излучения через кристалл, суммируется.

Возможно объединение зеркал М₂ и М₃ в одном элементе - выходном зеркале, прозрачном для второй гармоники, - тогда система станет проще, но ее эффективность уменьшится в 2 раза.

Ориентация кристалла (например, КТР) выполняется таким образом, чтобы обеспечить синхронизм второго типа и наименьший угол сноса (например, за счет наклонного падения излучения на кристалл, как описано выше) - это позволяет использовать всю интенсивность неполяризованного (случайно поляризованного) излучения, раскладываемого на две ортогональные линейные поляризации, и тем самым увеличить эффективность в 4 раза, и дополнительно увеличить коэффициент преобразования за счет увеличения длины кристалла, соответственно.

Для уменьшения влияния остаточного сноса и оптимизации фокусировки в кристалл применяется специальная схема телескопа «линза-зеркало» (в деталях изображенная на фиг.1) для возвращения обеих поляризаций назад в оптоволокно, а также для лучшего совмещения волн, генерируемых при распространении по кристаллу вперед и назад. Также возможен вариант КТР с некритическим синхронизмом для ограниченного диапазона длин волн вблизи 540 нм и применение других кристаллов.

При этом активное волокно может быть стандартным одномодовым волокном с размером стеклянной оболочки 100-400 мкм и и диаметром сердцевины 3-10 мкм (а также многомодовым, градиентным, микроструктурированным, составным - типа GTW и др.), легированным Yb, а также другими редкоземельными элементами (соответственно изменяется рабочий спектральный диапазон зеркал, селектора и кристалла). Кроме того, сердцевина может иметь увеличенный модовый диаметр (10-100 мкм), что позволяет уменьшить потери на ввод излучения в волокно системой линз L₁ и L₂ и использовать как асферические, градиентные и микролинзы, так и обычные короткофокусные линзы. Кроме того, большой диаметр пучка в активном волокне позволяет уменьшить интенсивность основного излучения локально в оптическом волокне и соответственно уменьшить насыщение усиливающей среды и нелинейные эффекты (приводящие к уширению спектра) при заданном уровне мощности, что позволяет увеличить эффективность преобразования во вторую гармонику.

Работа устройства

Излучение одного или нескольких лазерных диодов накачки LD (генерирующих на длинах волн вокруг 976, 915 или 808 нм) заводится непосредственнно или через мультиплексор накачки PC в активное оптическое волокно DF (легированное Yb или Nd, Er) и создает усиление сигнала, распространяющегося по оптическому волокну в области длин волн полосы усиления волокна (для иттербиевого волокна обычно это 0,97-0,98 и 1,03-1,15 мкм, 0,9-1,1 мкм для неодимового и 1,48-1,62 мкм для эрбиевого).

Усиленный сигнал с длиной волны в указанном спектральном диапазоне распространяется в резонаторе, сформированном волокном и зеркалами M₁, М₂ и М₃ через внутрирезонаторные элементы (селектор S, линзы L_1-3 и нелинейный кристалл NC), так что при превышении усиления сигнала в активном волокне над полными потерями в резонаторе достигается режим лазерной генерации основного излучения. Селектор частично отражает и сужает спектр основного излучения, линзы L₁ и L₂ фокусируют проходящий пучок примерно в середину нелинейного кристалла NC, а затем возвращается обратно (и одновременно снова фокусируется в середину нелинейного кристалла NC) с помощью телескопичекого отражателя, образованного зеркалом М₂ и линзой L₃. При этом в кристалле за счет нелинейного преобразования света генерируется излучение второй гармоники (в прямом и обратном направлениях), которое выходит из резонатора через зеркало М₃.

Данная схема была реализована для конкретного варианта (фиг.2) с кристаллом КТР, сориентированным согласно приведенному выше описанию. Эффективность преобразования во вторую гармонику составила ˜5%, что на порядок выше, чем у рассмотренных аналогов. При этом выходная мощность (получено до ˜0,5 Вт на линии 542 нм) линейно росла с увеличением мощности накачки (лазерных диодов), что позволяет далее увеличить мощность второй гармоники за счет увеличения мощности накачки.

Использованные источники информации

1. R.J.Thompson, M.Tu, D.C.Aveline, N.Lundblad, L.Maleki, High power single frequency 780-nm laser source generated from frequency doubling of a seeded fibre amplifier in a cascade of PPLN crystals, Optics Express, 11 (14), 1709 (2003).

2. D.B.S.Soh, С.Codemard, S.Wang, J.Nilsson, J.K.Sahu, F.Laurell, V.Philippov, Y.Jeong, C.Alegria, S.Baek, A 980-nm Yb-doped fibre MOPA source and its frequency doubling, IEEE Photonics Technology Letters, 16 (4), 1032-1034 (2004).

3. Д.Боначчини, В.Хаккенберг, Узкополосные волоконные лазеры большой мощности с расширенным диапазоном длин волн. Патент РФ N2269849, приоритет от 14.03.2001 (ЕР 01106261.9).

4. Y.Feng, S.Huang, A.Shirakawa, and K.Ueda, Multiple-color cw visible lasers by frequency sum-mixing in a cascading Roman fiber laser, Opt. Express 12, 1843-1847 (2004).

5. M.S.Zediker, R.A.Rice, Long cavity laser system including frequency doubling long cavity fiber optic laser system, US Patent, N5966391, 12.10.1999.

6. J.-J.Zondy, Comparative theory of walkoff-limited type-II versus type-I second-harmonic generation with Gaussian beams, Opt. Commun. 81, 427-440 (1991).

7. Z.Ou, S.Pereira, E.Polzik, and H.Kimble, 85% efficiency for cw frequency doubling from 1.08 to 0.54 μm, Opt. Lett. 17, 640-642 (1992).

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерам с удвоением частоты, генерирующим в видимой области спектра, которые могут найти применение как источники излучения для таких технологий, как сверхплотная оптическая память (а также запись), цветная лазерная печать, цветные лазерные дисплеи, биомедицинская диагностика, аналитические измерения, судебно-медицинская экспертиза и другие. Волоконный лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты включает источник накачки, фокусирующие элементы, активное оптическое волокно, помещенное в резонатор из дихроичных зеркал, первое из которых пропускает излучение накачки и отражает генерируемое основное излучение. Второе дихроичное зеркало вынесено за оптическое волокно и отражает как основное излучение, так и вторую гармонику. Третье выходное дихроичное зеркало отражает основное излучение и пропускает вторую гармонику. Нелинейный кристалл с синхронизмом второго типа, помещенный между оптическим волокном и вторым зеркалом, ориентирован таким образом, чтобы обеспечить наименьший угол сноса для генерируемой длины волны. В промежуток между волокном и кристаллом введен спектральный селектор для сужения спектра и стабилизации выходной мощности, выполненный в виде брэгговской решетки непосредственно на конце волокна (фильтра или интерферометра). Второе дихроичное зеркало с дополнительным фокусирующим элементом образует телескопический отражатель, обеспечивающий оптимальную фокусировку и компенсацию эффекта сноса в кристалле. Техническим результатом является создание волоконного лазера с внутрирезонаторным удвоением частоты на основе простой неполяризованной схемы, но при этом обладающей высокой эффективностью удвоения (не хуже, чем у сложной поляризованной схемы). 4 с. и 23 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волоконный лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты, включающий источник накачки, активное оптическое волокно, помещенное в резонатор из дихроичных зеркал, первое из которых пропускает излучение накачки и отражает генерируемое основное излучение, второе дихроичное зеркало вынесено за оптическое волокно и отражает основное излучение, нелинейный кристалл, помещенный между оптическим волокном и вторым зеркалом, и первый и второй фокусирующие элементы, отличающийся тем, что используется кристалл с синхронизмом второго типа, позволяющий работать без селекции поляризации основного излучения, ориентированный таким образом, чтобы обеспечить наименьший угол сноса для генерируемой второй гармоники, первый и второй фокусирующие элементы обеспечивают фокусировку проходящего пучка примерно в середину нелинейного кристалла, а второе дихроичное зеркало образует с дополнительным третьим фокусирующим элементом телескопический отражатель, обеспечивающий оптимальную фокусировку и компенсацию эффекта сноса в кристалле.2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что использован нелинейный кристалл с синхронизмом 2 типа (например, КТР), который вырезан для критичного коллинеарного синхронизма с отклонением 0-20° от кристаллографической оси в зависимости от рабочей длины волны.3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что источником накачки служит излучение одного или нескольких лазерных диодов, генерирующих на длинах волн вокруг 976, 915 или 808 нм, которое заводится в оптическое волокно через мультиплексор накачки.4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что первое дихроичное зеркало, пропускающее излучение накачки и отражающее основное излучение, сформировано непосредственно внутри волокна в виде волоконной брэгговской решетки, обладающей относительно узким спектром отражения (0,03-1 нм) и позволяющей перестраивать длину волны излучения посредством сжатия-растяжения участка волокна, в котором записана решетка, или за счет изменения ее температуры.5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активное оптическое волокно имеет диаметр сердцевины от 3 до 100 мкм.6. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве фокусирующих элементов используются как асферические, градиентные и микролинзы, так и обычные короткофокусные линзы.7. Волоконный лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты, включающий источник накачки, активное оптическое волокно, помещенное в резонатор из дихроичных зеркал, первое из которых пропускает излучение накачки и отражает генерируемое основное излучение, второе дихроичное зеркало вынесено за оптическое волокно и отражает основное излучение, нелинейный кристалл, помещенный между оптическим волокном и вторым зеркалом, и первый и второй фокусирующие элементы, отличающийся тем, что используется кристалл с синхронизмом второго типа, позволяющий работать без селекции поляризации основного излучения, ориентированный таким образом, чтобы обеспечить наименьший угол сноса для генерируемой второй гармоники, первый и второй фокусирующие элементы обеспечивают фокусировку проходящего пучка примерно в середину нелинейного кристалла, а в промежуток между волокном и кристаллом введен спектральный селектор для сужения спектра и стабилизации выходной мощности, выполненный в виде брэгговской решетки непосредственно на конце волокна, фильтра или интерферометра, а второе дихроичное зеркало образует с дополнительным фокусирующим элементом телескопический отражатель, обеспечивающий оптимальную фокусировку и компенсацию эффекта сноса в кристалле.8. Лазер по п.7, отличающийся тем, что использован нелинейный кристалл с синхронизмом 2 типа (например, КТР), который вырезан для критичного коллинеарного синхронизма с отклонением 0-20° от кристаллографической оси в зависимости от рабочей длины волны.9. Лазер по п.7, отличающийся тем, что источником накачки служит излучение одного или нескольких лазерных диодов, генерирующих на длинах волн вокруг 976, 915 или 808 нм, которое заводится в оптическое волокно через мультиплексор накачки.10. Лазер по п.7, отличающийся тем, что первое дихроичное зеркало, пропускающее излучение накачки и отражающее основное излучение, сформировано непосредственно внутри волокна в виде волоконной брэгговской решетки, обладающей относительно узким спектром отражения (0,03-1 нм) и позволяющей перестраивать длину волны излучения посредством сжатия-растяжения участка волокна, в котором записана решетка, или за счет изменения ее температуры.11. Лазер по п.7, отличающийся тем, что активное оптическое волокно имеет диаметр сердцевины от 3 до 100 мкм.12. Лазер по п.7, отличающийся тем, что в качестве фокусирующих элементов используются как асферические, градиентные и микролинзы, так и обычные короткофокусные линзы.13. Волоконный лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты, включающий источник накачки, активное оптическое волокно, помещенное в резонатор из дихроичных зеркал, первое из которых пропускает излучение накачки и отражает генерируемое основное излучение, второе дихроичное зеркало вынесено за оптическое волокно и отражает основное излучение, нелинейный кристалл, помещенный между оптическим волокном и вторым зеркалом, и первый и второй фокусирующие элементы, отличающийся тем, что используется кристалл с синхронизмом второго типа, позволяющий работать без селекции поляризации основного излучения, ориентированный таким образом, чтобы обеспечить наименьший угол сноса для генерируемой второй гармоники, первый и второй фокусирующие элементы обеспечивают фокусировку проходящего пучка примерно в середину нелинейного кристалла, в промежуток между волокном и кристаллом введено третье поворотное выходное дихроичное зеркало, которое отражает основное излучение и пропускает вторую гармонику, а второе дихроичное зеркало, отражает как основное излучение, так и вторую гармонику и с дополнительным третьим фокусирующим элементом образует телескопический отражатель, обеспечивающий оптимальную фокусировку и компенсацию эффекта сноса в кристалле.14. Лазер по п.13, отличающийся тем, что использован нелинейный кристалл с синхронизмом 2 типа (например, КТР), который вырезан для критичного коллинеарного синхронизма с отклонением 0-20° от кристаллографической оси в зависимости от рабочей длины волны.15. Лазер по п.13, отличающийся тем, что между поворотным выходным зеркалом и кристаллом размещен дополнительный фокусирующий элемент.16. Лазер по п.13, отличающийся тем, что источником накачки служит излучение одного или несколько лазерных диодов, генерирующих на длинах волн вокруг 976, 915 или 808 нм, которое заводится в оптическое волокно через мультиплексор накачки.17. Лазер по п.13, отличающийся тем, что первое дихроичное зеркало, пропускающее излучение накачки и отражающее основное излучение, сформировано непосредственно внутри волокна в виде волоконной брэгговской решетки, обладающей относительно узким спектром отражения (0,03-1 нм) и позволяющей перестраивать длину волны излучения посредством сжатия-растяжения участка волокна, в котором записана решетка, или за счет изменения ее температуры.18. Лазер по п.13, отличающийся тем, что активное оптическое волокно имеет диаметр сердцевины от 3 до 100 мкм.19. Лазер по п.13, отличающийся тем, что в качестве фокусирующих элементов используются как асферические, градиентные и микролинзы, так и обычные короткофокусные линзы.20. Волоконный лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты, включающий источник накачки, активное оптическое волокно, помещенное в резонатор из дихроичных зеркал, первое из которых пропускает излучение накачки и отражает генерируемое основное излучение, второе дихроичное зеркало вынесено за оптическое волокно и отражает основное излучение, нелинейный кристалл, помещенный между оптическим волокном и вторым зеркалом, и первый и второй фокусирующие элементы, отличающийся тем, что используется кристалл с синхронизмом второго типа, ориентированный таким образом, чтобы обеспечить наименьший угол сноса для генерируемой длины волны, первый и второй фокусирующие элементы обеспечивают фокусировку проходящего пучка примерно в середину нелинейного кристалла, в промежуток между волокном и кристаллом введен спектральный селектор для сужения спектра и стабилизации выходной мощности, выполненный в виде брэгговской решетки непосредственно на конце волокна, фильтра или интерферометра, и третье выходное дихроичное зеркало, которое отражает основное излучение и пропускает вторую гармонику, а второе дихроичное зеркало отражает как основное излучение, так и вторую гармонику, и с третьим дополнительным фокусирующим элементом образует телескопический отражатель, обеспечивающий оптимальную фокусировку и компенсацию эффекта сноса в кристалле.21. Лазер по п.20, отличающийся тем, что использован нелинейный кристалл с синхронизмом 2 типа (например, КТР), который вырезан для критичного коллинеарного синхронизма с отклонением 0-20° от кристаллографической оси в зависимости от рабочей длины волны.22. Лазер по п.20, отличающийся тем, что между поворотным выходным зеркалом и кристаллом размещен дополнительный фокусирующий элемент.23. Лазер по п.20, отличающийся тем, что источником накачки служит излучение одного или нескольких лазерных диодов, генерирующих на длинах волн вокруг 976, 915 или 808 нм, которое заводится в оптическое волокно через мультиплексор накачки.24. Лазер по п.20, отличающийся тем, что узкополосный спектральный селектор интегрирован с первым или третьим зеркалом.25. Лазер по п.20, отличающийся тем, что первое дихроичное зеркало, пропускающее излучение накачки и отражающее основное излучение, сформировано непосредственно внутри волокна в виде волоконной брэгговской решетки, обладающей относительно узким спектром отражения (0,03-1 нм) и позволяющей перестраивать длину волны излучения посредством сжатия-растяжения участка волокна, в котором записана решетка, или за счет изменения ее температуры.26. Лазер по п.20, отличающийся тем, что активное оптическое волокно имеет диаметр сердцевины от 3 до 100 мкм.27. Лазер по п.20, отличающийся тем, что в качестве фокусирующих элементов используются как асферические, градиентные и микролинзы, так и обычные короткофокусные линзы.