МОДУЛЬ НАСЫЩАЮЩЕГОСЯ ПОГЛОТИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА С ОДНОСТЕННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК G02F1/01 H01S3/67 B82B1/00 

Предлагаемое техническое решение относится к оптическим элементам для волоконных лазеров, в частности к насыщающимся поглотителям. Насыщающийся поглотитель используется в импульсных волоконных и распределенных лазерах как устройство для обеспечения режима самозапуска и синхронизации мод.

Широкое распространение для синхронизации мод как твердотельных, так и волоконных лазеров получили насыщающиеся полупроводниковые зеркала (SESAM), такие как в заявке W02011125358 (А1), которые в отличие от Керровской линзы и нелинейной эволюции поляризации обеспечивают начальный самозапуск синхронизации мод и генерации лазера в импульсном режиме. Поскольку SESAM - зеркало, в волоконной схеме требуется использовать волоконные циркуляторы либо линейную схему резонатора с торцевым расположением SESAM-a иногда с дополнительной фокусировкой и выходом излучения в пространство. К тому же, производство sesam-ов требует дорогостоящего оборудования и, как было замечено, при эксплуатации таких зеркал наблюдается динамика деградации свойств насыщающего поглощения.

Известен насыщающийся поглотитель, заявка США №20110280263, выполненный на утонченном волокне. Насыщающийся поглотитель выполнен на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками в области сужения волокна. Конструкция лазера с таким поглотителем позволяет получать импульсы с высокой энергией, однако на выходе насыщающегося поглотителя имеем случайную поляризацию излучения, что ограничивает его дальнейшее применение.

Известен волоконный модуль самозапуска и синхронизации мод для волоконного лазера с композитом с одностенными углеродными нанотрубками, статья Yong-Won Song et al. Optics Letters, vol.32, No.11, 2007, p.1399-1401. Модуль содержит волокно с сердцевиной и оболочкой, оболочка волокна сточена вдоль одной плоскости, на поверхность сточенной оболочки волокна нанесен слой композита с одностенными углеродными нанотрубками. Такая конструкция позволяет получить на выходе поляризованное импульсное излучение, однако для работы такого насыщающегося поглотителя необходимо, чтобы излучение, распространяющееся в оптическом волокне, было поляризованным параллельно поверхности пленки поглотителя.

Задачей изобретения является создание эффективного модуля волоконного насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками для генерации импульсного поляризованного излучения в волоконном лазере.

Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками, выполненный на одномодовом оптическом волокне, включающем сердцевину и оболочку с определенной толщиной, волокно способно пропускать излучение с определенной длиной волны, полимерный композит содержит полимер, смешанный с одностенными углеродными нанотрубками, выбранный поглощать излучение с указанной длиной волны, пленка полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками расположена на поверхности сполированной вдоль одной плоскости оболочки волокна, волокно предназначено пропускать излучение в одном направлении, модуль насыщающегося поглотителя дополнительно содержит поляризатор, выполненный на участке одномодового волокна со сполированной вдоль указанной плоскости оболочкой, расположенный до сполированного участка с пленкой из полимерного композита при распространении излучения в предназначенном направлении, расстояние между поляризатором и поглотителем такое, что при распространении излучения от поляризатора к поглотителю направление вектора поляризации не отклоняется более чем на 5 градусов. Насыщающийся поглотитель предназначен для использования в первую очередь в волоконном лазере с кольцевым резонатором, в котором для получения стабильного излучения излучение имеет направление распространения. Дополнительно установленный поляризатор, выполненный на участке одномодового волокна со сполированной вдоль той же плоскости, что и участок одномодового волокна с пленкой композита с одностенными углеродными нанотрубками (ОУН), расположенный выше по направлению распространения излучения, позволит установить необходимую поляризацию излучения в волокне и тем самьм повысить эффективность работы насыщающегося поглотителя. Излучение в волокне первоначально попадает на участок поляризатора, который поглощает излучение с Р-компонентой поляризации вследствие возбуждения поверхностных плазмонов в пленке алюминия и пропускает излучение с S-компонентой поляризации. Далее излучение попадает в область пленочного насыщающегося поглотителя, который преимущественно взаимодействует с излучением, имеющим S-компоненту поляризации. Дополнительный поляризатор, установленный на волокне, позволяет повысить эффективность работы насыщающегося поглотителя. Чтобы участок волокна с нанесенной пленкой композита взаимодействовал с излучением с необходимой поляризацией, при распространении излучения от поляризатора к насыщающемуся поглотителю направление вектора поляризации у пленки насыщающегося поглотителя должно быть параллельным плоскости пленки поглотителя либо отклоняться от этого направления не более чем на 5 градусов. В противном случае эффективность работы устройства будет низкой. Таким образом, дополнительно установленный на определенном расстоянии поляризатор позволит существенно повысить эффективность работы насыщающегося поглотителя.

Полимерный композит с одностенными углеродными нанотрубками нанесен на участок сполированной оболочки волокна длиной от 1 до 10 миллиметров, остаточная толщина оболочки волокна составляет от 1 до 3 мкм, толщина пленки композита с одностенными углеродными нанотрубками не более 10 мкм, сполированная поверхность участка поляризатора покрыта пленкой из алюминия толщиной не более 100 нм, остаточная толщина оболочки волокна не более 3 мкм, а длина покрытого пленкой из алюминия участка составляет от 1 до 10 миллиметров. При толщине остаточной оболочки волокна, большей 3 мкм, эффективность взаимодействия излучения, распространяющегося в волокне, с композитной пленкой становится низкой, насыщающийся поглотитель не будет эффективно функционировать. При толщине остаточной оболочки меньшей 1 мкм есть опасность выхода излучения из сердцевины. При толщине пленки композита с ОУН d₁ не более 10 мкм преимущественное направление нанотрубок параллельно плоскости композитной пленки. При установке такой пленки на сполированную поверхность волокна насыщающийся поглотитель становится поляризационно-чувствительным элементом и поглощает в основном излучение с поляризацией, направленной параллельно плоскости пленки или плоскости сполированной оболочки оптического волокна (S-компонента поляризации). Длина пленки композита с ОУН вдоль волокна составляет от 1 до 10 миллиметров. При длине пленки композита с ОУН менее миллиметра глубина модуляции будет недостаточной для самозапуска синхронизации мод. При длине участка больше сантиметра потери излучения из волокна становятся значительными. Такой насыщающийся поглотитель, выполненный на сполированной вдоль одной плоскости поверхности волокна из композита с одностенными углеродными нанотрубками, способен работать при относительно высоких энергиях импульса, так как композитная пленка расположена вне зоны прямого прохождения излучения. Падающая пиковая интенсивность контролируется выбором толщины остаточной оболочки, можно подобрать толщину остаточной оболочки такую, что при прохождении импульса с высокой энергией пиковая интенсивность, падающая на пленку поглотителя, будет ниже величины интенсивности ее разрушения, что позволяет сделать насыщающийся поглотитель надежным и с большим сроком эксплуатации. Остаточная толщина оболочки волокна поляризатора составляет не более 3 мкм. При больших значения остаточной толщины оболочки эффективность взаимодействия излучения, распространяющегося по сердцевине, с пленкой становится низкой. Длина покрытого алюминием участка составляет от 1 до 10 мм. Такая длина является оптимальной для создания поляризованного излучения. Толщина пленки алюминия не более 100 нм, так как при больших толщинах эффективность возбуждения поверхностных плазмонов уменьшается.

Участок между поляризатором и поглотителем выполнен из оптического волокна с поддержкой поляризации. Одним из вариантов исполнения является соединение поляризатора и насыщающегося поглотителя волокном с поддержкой поляризации. Это дает большую свободу разработчикам для осуществления предлагаемого технического решения. Можно выставить направление поляризации излучения вдоль быстрой или медленной оси волокна с поддержкой поляризации.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание эффективного модуля волоконного насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками для генерации импульсного поляризованного излучения в волоконном лазере, пригодного к длительной эксплуатации в режиме высоких энергий импульса.

Вариантом изобретения является модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками, выполненный на одномодовом оптическом волокне, включающем сердцевину и оболочку с определенной толщиной, волокно способно пропускать излучение с определенной длиной волны, полимерный композит содержит полимер, смешанный с одностенными углеродными нанотрубками, выбранный поглощать излучение с указанной длиной волны, пленка полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками расположена на поверхности сполированной вдоль одной плоскости оболочки волокна, остаточная толщина оболочки волокна составляет от 1 до 3 мкм, толщина пленки полимерного композита составляет не более 1 мкм, пленка полимерного композита покрыта пленкой из алюминия толщиной не более 100 нм, длина такой двухслойной пленки составляет от 1 до 10 миллиметров. Остаточная толщина оболочки волокна составляет от 1 до 3 мкм, так как при толщине менее 1 мкм есть опасность выхода излучения из сердцевины волокна, при толщине, большей 3 мкм, излучение, распространяющееся в волокне, недостаточно эффективно взаимодействует с пленкой из полимерного композита с ОУН. Толщина пленки полимерного композита с ОУН составляет не более 1 мкм, пленка полимерного композита покрыта пленкой из алюминия толщиной 20-100 нанометров, длина такой двухслойной пленки L (участка сполированного волокна) составляет 1-10 миллиметров. Такое устройство работает как насыщающийся поглотитель и поляризатор одновременно. При толщине пленки полимерного композита более 1 мкм, излучение, распространяющееся по сердцевине волокна, очень слабо взаимодействует с пленкой из алюминия и не поляризуется. Это, в свою очередь, понижает эффективность работы насыщающегося поглотителя. Для эффективного возбуждения поверхностных плазмонов толщина пленки алюминия не должна быть более 100 нанометров. При таком исполнении насыщающегося поглотителя направление излучения, проходящее через устройство, может быть выбрано произвольно.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание волоконного модуля насыщающегося поглотителя на основе композита с одностенными углеродными нанотрубками для генерации импульсного поляризованного излучения в волоконном лазере. Предлагаемая схема обеспечивает высокую оптическую стойкость, что является необходимьм условием для генерации сверхкоротких импульсов с большой энергией.

На фиг.1 изображен насыщающийся поглотитель в виде композитной пленки с одностенными углеродными нанотрубками на поверхности сполированного волокна.

На фиг.2 изображен модуль насыщающегося поглотителя с поляризатором.

На фиг.3 изображен модуль насыщающегося поглотителя, содержащий пленку с одностенными углеродными нанотрубками с нанесенной пленкой из алюминия.

На фиг.1 изображен насыщающийся поглотитель на участке оптического волокна с оболочкой 1, сердцевиной 2. Часть оболочки волокна сполирована вдоль плоскости для получения плоской поверхности 3, на которую нанесена композитная пленка 4 с одностенными углеродными нанотрубками. Остаточная толщина оболочки волокна 1 - d, толщина пленки - d1. Длина пленки вдоль волокна - L. Поскольку преимущественное направление осей нанотрубок при толщине пленки менее 10 мкм лежит в плоскости композитной пленки, при прохождении излучения по сердцевине волокна 2, поглощается в основном излучение с поляризацией, направленной параллельно плоскости пленки или плоскости сполированной оболочки оптического волокна (S-компонента поляризации). Для эффективной работы такого насыщающегося поглотителя необходимо, чтобы излучение, распространяющееся в оптическом волокне, было поляризованным параллельно поверхности пленки поглотителя.

На фиг.2 изображен модуль насыщающегося поглотителя с поляризатором. Одномодовое оптическое волокно содержит сердцевину 1 и оболочку 2. Волокно предназначено пропускать излучение в одном направлении (направление распространения излучения показано стрелками). Оболочка волокна 1 сполирована вдоль одной плоскости на двух участках. На первый участок по ходу распространения излучения нанесена пленка из алюминия толщиной d2 и длиной L, на второй участок нанесена пленка из композита с одностенными углеродными нанотрубками толщиной dl и длиной L. При прохождении излучения по волокну излучение сначала становится линейно поляризованным на первом по ходу распространения излучения участке с нанесенной пленкой из алюминия, а затем попадает на второй участок со сполированной оболочкой волокна с нанесенным композитом с ОУН, где излучение взаимодействует с насыщающимся поглотителем. Расстояние между первым и вторым участками такое, что поляризация излучения не отклоняется, либо отклоняется не более, чем на 5 градусов. Это позволяет эффективно работать самому насыщающемуся поглотителю. Таким образом выполненный модуль насыщающегося поглотителя позволяет получить линейно поляризованное импульсное излучения с короткими длительностями импульса.

На фиг.3. изображен модуль насыщающегося поглотителя, содержащий пленку и одностенными углеродными нанотрубками с пленкой из алюминия. Одномодовое оптическое волокно содержит оболочку 1 и сердцевину 2. Оболочка волокна сполирована вдоль плоскости 3 до остаточной толщины d, на сполированную поверхность волокна нанесена пленка композита 4 с одностенными углеродными нанотрубками толщиной dl не более 1 мкм. На пленку с ОУН нанесена пленка из алюминия толщиной d2. Длина участка L с нанесенными пленками составляет от 1 до 10 мм. При распространении излучения по сердцевине волокна 2 излучение, попавшее на участок волокна с нанесенными пленками 4, 5, поляризуется и становится импульсным. Такой модуль насыщающегося поглотителя работает вне зависимости от направления излучения по волокну. Такой модуль позволяет эффективно получать импульсное поляризованное излучение и способен работать длительное время в режиме относительно высоких энергий импульсов.

Заявленная группа изобретений относится к оптическим элементам для волоконных лазеров. Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками выполнен на одномодовом оптическом волокне, включающем сердцевину и оболочку. Полимерный композит содержит полимер, смешанный с одностенными углеродными нанотрубками, выбранный поглощать излучение с необходимой длиной волны. Пленка композита с нанотрубками расположена на поверхности, сполированной вдоль одной плоскости оболочки волокна. Согласно первому варианту волокно предназначено пропускать излучение в одном направлении, модуль насыщающегося поглотителя дополнительно содержит поляризатор, выполненный на участке одномодового волокна со сполированной вдоль указанной плоскости оболочкой, расположенный до сполированного участка с пленкой из композита при распространении излучения в заданном направлении, расстояние между поляризатором и поглотителем обеспечивает отклонение вектора поляризации излучения не более чем на 5 градусов. Согласно второму варианту остаточная толщина оболочки волокна составляет от 1 до 3 мкм, толщина пленки композита составляет не более 1 мкм, указанная пленка покрыта пленкой из алюминия толщиной не более 100 нм, длина такой двухслойной пленки составляет от 1 до 10 миллиметров. Технический результат заключается в обеспечении повышения оптической стойкости поглотителя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками, выполненный на одномодовом оптическом волокне, включающем сердцевину и оболочку с определенной толщиной, волокно способно пропускать излучение с определенной длиной волны, полимерный композит содержит полимер, смешанный с одностенными углеродными нанотрубками, выбранный поглощать излучение с указанной длиной волны, пленка полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками расположена на поверхности сполированной вдоль одной плоскости оболочки волокна, отличающийся тем, что волокно предназначено пропускать излучение в одном направлении, модуль насыщающегося поглотителя дополнительно содержит поляризатор, выполненный на участке одномодового волокна со сполированной вдоль указанной плоскости оболочкой, расположенный до сполированного участка с пленкой из полимерного композита при распространении излучения в предназначенном направлении, расстояние между поляризатором и поглотителем такое, что при распространении излучения от поляризатора к поглотителю направление вектора поляризации не отклоняется более чем на 5°.

2. Модуль насыщающегося поглотителя по п.1, отличающийся тем, что полимерный композит нанесен на участок сполированной оболочки волокна длиной от 1 до 10 мм, остаточная толщина оболочки волокна составляет от 1 до 3 мкм, толщина пленки композита с одностенными углеродными нанотрубками не более 10 мкм, сполированная поверхность участка поляризатора покрыта пленкой из алюминия толщиной не более 100 нм, остаточная толщина оболочки волокна не более 3 мкм, а длина покрытого пленкой из алюминия участка составляет от 1 до 10 мм.

3. Модуль насыщающегося поглотителя по п.1 или 2, отличающийся тем, что участок между поляризатором и поглотителем выполнен из оптического волокна с поддержкой поляризации.

4. Модуль насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками, выполненный на одномодовом оптическом волокне, включающем сердцевину и оболочку с определенной толщиной, волокно способно пропускать излучение с определенной длиной волны, полимерный композит содержит полимер, смешанный с одностенными углеродными нанотрубками, выбранный поглощать излучение с указанной длиной волны, пленка полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками расположена на поверхности сполированной вдоль одной плоскости оболочки волокна, отличающийся тем, что остаточная толщина оболочки волокна составляет от 1 до 3 мкм, толщина пленки полимерного композита составляет не более 1 мкм, пленка полимерного композита покрыта пленкой из алюминия толщиной не более 100 нм, длина такой двухслойной пленки составляет от 1 до 10 мм.