СПОСОБ ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРЕ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ С ЦЕЛЬНОВОЛОКОННЫМ ОПТИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 2015 года по МПК H01S3/67 

Изобретение относится к лазерам - приборам для генерации с использованием стимулирующего излучения когерентных электромагнитных волн.

Уровень техники

Волоконные лазеры сверхкоротких импульсов играют ключевую роль в области фотоники, спектроскопии, биомедицины, оптических телекоммуникаций. Волоконные лазеры сверхкоротких импульсов служат для генерации импульсного оптического излучения, используемого для микро- и нанообработки поверхностей, записи компонент фотоники в прозрачных средах, выполнения прецизионных разрезов оболочек глаза в офтальмологии, в качестве носителя информации в оптических линиях связи и оптического возбуждения для генерации суперконтинуума. Широта области применений сверхкоротких импульсов обуславливает актуальность задачи усовершенствования устройств и способов для их генерации.

Известен способ пассивной синхронизации мод излучения в волоконном лазере за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения в оптоволокне (ст.: M.E. Fermann, M.J. Andrejco, Y. Silberberg and M.L. Stock. Passive mode locking by using nonlinear polarization evolution in a polarization-maintaining erbium-doped fiber. Optics Letters, Vol.18, Issue 11, pp.894-896 (1993) [1]). Режим пассивной синхронизации мод достигается настройкой волоконных контроллеров поляризации, используемых в резонаторе волоконного лазера в качестве двулучепреломляющих элементов фазовой задержки. Недостатками данного технического решения является то, что данный способ пассивной синхронизации мод в лазере основан на использовании в конструкции лазера в качестве двулучепреломляющих элементов фазовой задержки контроллеров поляризации, основанных на механической деформации волокна. Вносимые контроллерами поляризации фазовые задержки с течением времени могут изменяться вследствие пластических деформаций оптического волокна, что приводит к выходу лазера из заданного режима генерации и необходимости его подстройки и технического обслуживания высококвалифицированными специалистами, что сопряжено со значительными затратами времени и материальных ресурсов.

Известен способ пассивной синхронизации мод в гибридном лазере, оптический резонатор которого включает отрезки оптического волокна и дискретные оптические элементы - двулучепреломляющие фазовые пластинки, вносящие относительную фазовую задержку между двумя компонентами поляризации внутрирезонаторного лазерного излучения (ст.: М.Е. Fermann, L.-М. Yang, M.J. Andrejco, and M.L. Stock, "Environmentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber laser producing 360-fs pulses," Optics Letters, Vol.19, Issue 1, pp.43-45 (1994) [2]). Режим пассивной синхронизации мод в таком лазере достигается настройкой углов ориентации одной или нескольких двулучепреломляющих пластинок, используемых в резонаторе лазера в качестве двулучепреломляющих элементов фазовой задержки. Недостатком данного технического решения является то, что указанный способ пассивной синхронизации мод в лазере основан на использовании в конструкции лазера в качестве двулучепреломляющих элементов фазовой задержки двух и более дискретных объемных (не волоконных) элементов, требующих сложной прецизионной юстировки и настройки как перед первым запуском лазера, так и после транспортировки лазера от завода-изготовителя до конечного потребителя (пользователя), что требует участия высококвалифицированных специалистов и сопряжено со значительными затратами времени и материальных ресурсов.

Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемому изобретению является способ пассивной синхронизации мод в волоконном лазере, описанный в ст.: D. Radnatarov, S. Khripunov, S. Kobtsev, A. Ivanenko, S. Kukarin. "Automatic electronic-controlled mode locking self-start in fibre lasers with non-linear polarisation evolution." Optics Express, Vol.21, Issue 18, pp.20626-20631 (2013) [3]). Известный из указанной работы способ пассивной синхронизации мод излучения основан на эффекте нелинейной эволюции поляризации излучения в оптическом волокне резонатора, запуск режима синхронизации мод излучения и управление параметрами режима осуществляются изменением электрического напряжения, прикладываемого к жидкокристаллическому поляризационному элементу фазовой задержки и регулировкой мощности источника накачки. В зависимости от указанных двух параметров настройки в лазере могут реализовываться различные режимы генерации.

Недостатком прототипа является то, что указанный способ пассивной синхронизации мод в лазере основан на использовании в конструкции лазера в качестве двулучепреломляющего элемента фазовой задержки как минимум одного дискретного жидкокристаллического элемента фазовой задержки, что обуславливает необходимость точного сопряжения указанного дискретного элемента с оптическим волокном, прецизионной юстировки и настройки лазера при сборке и после транспортировки. Еще одним недостатком указанного способа пассивной синхронизации мод, также связанным с необходимостью использования в схеме лазера жидкокристаллического элемента фазовой задержки, является сложность в изготовлении жидкокристаллического элемента фазовой задержки и его высокая рыночная стоимость, что определяет высокую стоимость лазера в целом при использовании данного способа пассивной синхронизации мод.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание способа стабильной пассивной синхронизации мод излучения, обеспечивающего режим генерации одиночных сверхкоротких оптических импульсов с высокой эффективностью преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, допускающего использование надежной конструкции лазера, не требующей технического обслуживания в процессе эксплуатации и транспортировки.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе пассивной синхронизации мод излучения в волоконном лазере сверхкоротких импульсов за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации в оптическом волокне кольцевого лазерного резонатора, согласно изобретению запуск режима синхронизации мод излучения и управление параметрами режима синхронизации мод осуществляют в процессе укладки оптических волокон при сборке лазера за счет скруток и изгибов оптических волокон, выполняющих функцию двулучепреломляющих элементов фазовой задержки, сохранение параметров выбранного режима синхронизации мод в процессе эксплуатации и транспортировки обеспечивается системой механической фиксации оптического волокна.

Описание предлагаемого способа пассивной синхронизации мод излучения в волоконном кольцевом лазере сверхкоротких импульсов поясняется фиг. 1: схема волоконного кольцевого лазера сверхкоротких импульсов для реализации способа пассивной синхронизации мод излучения.

На фиг.1 обозначено: 1 - источник накачки, 2 - волоконный модуль спектрального сведения, 3 - поляризационно независимый оптический изолятор, 4 - активное волокно, 5 - пассивное волокно, 6 - волоконный ответвитель с поддержкой поляризации, 7 - система механической фиксации оптического волокна, 8 - оптический выход лазера.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения - работоспособность способа

К оптическому выходу 8 лазера подключают осциллограф и анализатор оптического спектра, после чего одно или несколько оптических волокон лазерного резонатора укладывают витками 4, 5 с образованием сгибов и скруток, не нарушающих целостности оптического волокна и не препятствующих распространению по оптическому волокну оптического излучения, создающих двулучепреломление и относительную фазовую задержку компонент поляризации, достаточную для запуска режима пассивной синхронизации мод за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации. Скрутку и изгиб волокна контролируют при помощи осциллографа и анализатора оптического спектра, подключенных к оптическому выходу 8 лазера, путем поиска такого способа укладки волокна, при котором достигается осциллограмма выходного излучения в виде последовательности сверхкоротких импульсов, а оптический спектр имеет П-образную форму. После укладки оптическое волокно фиксируют с помощью системы механической фиксации оптического волокна 7, включающей набор крепежных элементов и/или заливку волоконного резонатора отвердевающим заполнителем, предотвращающей изменение изгибов и скруток оптического волокна и вносимого ими двулучепреломления и препятствует выходу лазера из заданного при сборке лазера режима генерации в процессе работы и транспортировки лазера.

Предложенный способ пассивной синхронизации мод излучения может быть реализован в полностью волоконных оптических резонаторах, не содержащих дискретных оптических элементов, что позволяет создавать на основе данного способа лазеры с высокой эффективностью преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов.

Таким образом, предлагаемое изобретение является способом стабильной пассивной синхронизации мод излучения, обеспечивающего режим генерации сверхкоротких оптических импульсов с высокой эффективностью преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, допускающего использование надежной конструкции лазера, не требующей технического обслуживания в процессе эксплуатации и транспортировки.

Источники информации

1. Optics Letters. - 1993. - Vol.18. - No 11. - P.894-896.

2. Optics Letters. - 1994. - Vol.19. - No 1. - P.43-45.

3. Optics Express. - 2013. - Vol.21. - No 18. - P.20626-20631.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ пассивной синхронизации мод излучения в лазере сверхкоротких импульсов с цельноволоконным оптическим резонатором состоит в использовании эффекта нелинейной эволюции поляризации и укладки витками оптического волокна с формированием скруток и изгибов, не препятствующих распространению по оптическому волокну оптического излучения и создающих двулучепреломление и относительную фазовую задержку компонент поляризации, достаточную для запуска режима пассивной синхронизации мод за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации. Технический результат заключается в обеспечении возможности эффективного преобразования энергии оптической накачки в энергию генерируемых импульсов, при использовании надежной конструкции лазера, не требующей технического обслуживания в процессе эксплуатации и транспортировки. 1 ил.

Способ пассивной синхронизации мод излучения в лазере сверхкоротких импульсов с цельноволоконным оптическим резонатором за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации в оптическом волокне кольцевого лазерного резонатора, отличающийся тем, что запуск режима синхронизации мод излучения и управление параметрами режима синхронизации мод осуществляют в процессе укладки оптических волокон при сборке лазера за счет скруток и изгибов оптических волокон, выполняющих функцию двулучепреломляющих элементов фазовой задержки, после чего осуществляют механическую фиксацию оптического волокна, обеспечивающую сохранение параметров выбранного режима синхронизации мод в процессе эксплуатации и транспортировки.