ВОЛОКОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК H01S3/67 

Настоящее изобретение относится к лазерам - приборам для генерации когерентных электромагнитных волн и промышленно применимо в устройствах и системах, использующих лазерное излучение.

Из существующего уровня техники известен волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения (заявка на патент США 20090003391 A1, Low-repetition-rate ring-cavity passively mode-locked fiber laser), в котором функции устройства синхронизации мод излучения выполняет насыщающийся поглотитель на основе углеродных нанотрубок или полупроводниковый насыщающийся поглотитель. Основным недостатком насыщающих поглотителей, в том числе на основе углеродных нанотрубок, является их подверженность деградации при работе в условиях высокой плотности мощности падающего лазерного излучения, требуемой для достижения насыщения поглощения. В связи с этим характерный срок работы насыщающихся поглотителей составляет от нескольких сот до нескольких тысяч часов. Кроме того, приготовление однородной матрицы с углеродными нанотрубками и нанесение ее на зеркало лазера или изготовление полупроводникового насыщающегося поглотителя является сложным технологическим процессом, не всегда реализуемым даже в лабораторных условиях.

Известен также дисковый лазер с синхронизацией мод излучения с помощью керровской линзы в оптическом элементе, расположенном в резонаторе лазера в перетяжке пучка лазерного излучения (WO 2013050054 A1, Laser device with kerr effect based mode-locking and operation thereof). Недостатком этого решения является то, что оно предусмотрено только для лазеров с дисковой активной средой и не предусматривает использование предложенного устройства синхронизации мод излучения в волоконном лазере. Кроме того, линейная схема резонатора лазера требует концевых зеркал резонатора, которые могут ограничивать спектр излучения лазера и не позволять генерировать наиболее короткие по длительности импульсы. Кроме того, в линейном резонаторе лазера присутствует эффект "пространственного выгорания провалов" в усиливающей среде лазера, который приводит к наличию в спектре генерации лазера слабо конкурирующих спектральных компонентов, взаимодействие которых друг с другом обуславливает повышенный уровень шумов интенсивности излучения лазера.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения в волокне резонатора, не поддерживающего поляризацию излучения (заявка на патент США 2010/0220751 A1, All-normal-dispersion femtosecond fiber laser). У этого решения имеется несколько недостатков. Во-первых, запуск режима синхронизации мод излучения производится в нем настройкой трех фазовых пластин (две четвертьволновых фазовых пластины и одна полуволновая) и имеются алгоритмические проблемы с одновременной настройкой всех трех этих пластин: как правило, настройка этих пластин носит случайный характер до появления в какой-то момент режима синхронизации мод излучения. Во-вторых, в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод излучения за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения возможна реализация различных режимов синхронизации мод излучения (S. Smirnov et al. Three key regimes of single pulse generation per round trip of all-normal-dispersion fiber lasers mode-locked with nonlinear polarization rotation. Optics Express, Vol. 20, Issue 24, pp. 27447-27453 (2012)), для характеризации полученного режима и определения параметров импульсов необходимо использовать специальную измерительную аппаратуру после каждой процедуры настройки фазовых пластин для запуска режима синхронизации мод излучения. В-третьих, волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод излучения за счет эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения имеют относительно высокую чувствительность к температуре окружающей среды и при изменении температуры среды, окружающей волокно, на несколько градусов требуют новой процедуры настройки фазовых пластин для запуска режима синхронизации мод излучения.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является создание волоконного импульсного кольцевого лазера с пассивным синхронизатором мод излучения, не требующим применения сложных дорогостоящих технологий и материалов для его изготовления, имеющего неограниченный срок службы и относительно малый уровень шумов интенсивности излучения лазера, при этом в лазере не ограничивается спектр излучения для обеспечения генерации наиболее коротких по длительности импульсов и имеется возможность спектральной перестройки линии излучения в широком спектральном диапазоне.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном кольцевом лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в усиливающее волокно, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, поляризационно-зависимый изолятор излучения для обеспечения однонаправленной генерации, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно, расположенные между первым и вторым торцами волокна первый и второй коллиматоры, согласно изобретению все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения, между первым и вторым коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности коллиматоров и фокусирующих излучение оптических элементов могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью могут являться брюстеровскими.

В частности, в коллимированном пучке излучения между коллиматором и фокусирующим излучение оптическим элементом может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности поляризатора могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, в качестве усиливающего волокна может применяться как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и являющимися отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном кольцевом лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в усиливающее волокно, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, поляризационно-зависимый изолятор излучения для обеспечения однонаправленной генерации, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно, расположенные между первым и вторым торцами волокна первый и второй коллиматоры, согласно изобретению все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения, между первым и вторым коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса, между вторым торцом волокна и усиливающим волокном расположен трехпортовый циркулятор, соединяющий резонатор лазера со спектрально-селективным отражающим элементом.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности коллиматоров и фокусирующих излучение оптических элементов могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью могут являться брюстеровскими.

В частности, в коллимированном пучке излучения между коллиматором и фокусирующим излучение оптическим элементом может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности поляризатора могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, в качестве усиливающего волокна может применяться как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и являющимися отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться объемный элемент, связанный с резонатором лазера через третий коллиматор и третий торец волокна, являющийся торцом волокна двунаправленного порта трехпортового циркулятора и не отражающий излучение лазера назад в волокно.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться объемная дифракционная решетка.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться зеркало с заданной спектральной полосой отражения.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном кольцевом лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в усиливающее волокно, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, поляризационно-зависимый изолятор излучения для обеспечения однонаправленной генерации, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно, расположенные между первым и вторым торцами волокна первый и второй коллиматоры, согласно изобретению все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения, между первым и вторым коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса, между вторым торцом волокна и усиливающим волокном расположен волоконный спектрально-селективный элемент.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности коллиматоров и фокусирующих излучение оптических элементов могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью могут являться брюстеровскими.

В частности, в коллимированном пучке излучения между коллиматором и фокусирующим излучение оптическим элементом может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

В частности, проходные для излучения лазера поверхности поляризатора могут иметь просветляющее покрытие.

В частности, в качестве усиливающего волокна может применяться как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и являющимися отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

В частности, волоконным спектрально-селективным элементом может являться волоконный интерферометр Фабри-Перо или волоконный интерферометр Маха-Цендера.

В частности, волоконным спектрально-селективным элементом может являться волоконный двулучепреломляющий спектральный фильтр.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение возможности достижения предельно малой длительности импульсов выходного излучения волоконного лазера с возможностью перестройки спектра излучения при относительно малом уровне шумов интенсивности излучения лазера и обеспечение стабильности полученных параметров излучения в течение неограниченного времени. Возможность достижения предельно малой длительности импульсов выходного излучения обеспечивается как "беззеркальной" конструкцией резонатора лазера (кольцевая конфигурация), не ограничивающей спектр излучения для генерации предельно коротких по длительности импульсов, так и за счет реализации режима синхронизации мод излучения с использованием эффекта Керра (квадратичный электрооптический эффект), обеспечивающего относительно быстрый нелинейный отклик среды с характерным временем отклика порядка 10^-14-10^-15 с. Эффект Керра приводит к изменению значения показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля, что в случае осесимметричного гауссового пучка излучения или подобного, имеющего поперечное распределение интенсивности излучения, "спадающее" к краям пучка, приводит к образованию в среде наведенной так называемой "керровской линзы" - распределению значения показателя преломления, действующему на пучок проходящего излучения как линза. Для большинства оптических материалов, обладающих керровской нелинейностью (кварц, поликомпонентные стекла класса ТФ, сапфир, кальцит и другие), эта линза является положительной. Формирование быстрой керровской линзы в резонаторе лазера позволяет создать конфигурацию резонатора, при которой высокоинтенсивной импульс лазерного излучения имеет малые оптические потери, а длинный импульс или непрерывное излучение имеют большие оптические потери. Совместное действие керровской линзы в оптическом элементе с керровской нелинейностью и пространственной фильтрации моды (при вводе излучения в волокно), соответствующей излучению импульсов с наибольшей пиковой мощностью, приводит к селекции режима генерации коротких импульсов излучения с высокой пиковой мощностью.

Необходимо отметить, что ни одно отдельно взятое устройство не дает такого эффекта, какой дает совокупность заявленных признаков. До подачи данной заявки было неочевидно, что совокупность заявленных признаков позволит решить задачу создания волоконного импульсного кольцевого лазера с пассивным синхронизатором мод излучения, не требующим применения сложных дорогостоящих технологий и материалов для его изготовления, имеющего неограниченный срок службы и относительно малый уровень шумов интенсивности излучения лазера, при этом в лазере не ограничивается спектр излучения для обеспечения генерации наиболее коротких по длительности импульсов и имеется возможность спектральной перестройки линии излучения в широком спектральном диапазоне.

Сущность изобретения поясняется следующими схемами. На фиг. 1 представлена схема волоконного импульсного кольцевого лазера с пассивной синхронизацией мод излучения: 1 - источник излучения накачки, 2 - усиливающее волокно, 3 - волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, 4 - поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, 5 - волокно для вывода выходного излучения, 6 - поляризационно-зависимый изолятор излучения для обеспечения однонаправленной генерации, 7 - первый торец волокна, 8 - первый коллиматор, 9 - первый фокусирующий излучение оптический элемент, 10 - оптический элемент с керровской нелинейностью, 11 - второй фокусирующий излучение оптический элемент, 12 - второй коллиматор, 13 - второй торец волокна, 14 - проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью, имеющие угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

На фиг. 2 представлена схема волоконного импульсного кольцевого лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором источником излучения накачки волоконного лазера является рамановский лазер, при этом резонатор рамановского лазера образован двумя волоконными брэгговскими решетками 17, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

На фиг. 3 представлена схема волоконного импульсного кольцевого лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором между вторым торцом 13 волокна и усиливающим волокном 2 расположен трехпортовый циркулятор 15, соединяющий резонатор лазера со спектрально-селективным отражающим элементом 16.

На фиг. 4 представлена схема волоконного импульсного кольцевого лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором спектрально-селективным отражающим элементом 16 является призма в сочетании с отражающим зеркалом.

На фиг. 5 представлена схема волоконного импульсного кольцевого лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором между вторым торцом 13 волокна и усиливающим волокном 2 расположен волоконный спектрально-селективный элемент 18.

Работает устройство следующим образом:

излучение накачки, генерируемое источником 1 оптического излучения накачки, через волоконный модуль спектрального сведения 3 попадает в усиливающее волокно 2, переводя усиливающую среду лазера в активное состояние; генерация лазера осуществляется в кольцевом "беззеркальном" резонаторе, однонаправленный режим генерации в котором задается поляризационно-зависимым изолятором излучения 6. Однонаправленный режим генерации излучения позволяет выводить излучение лазера в одну сторону через ответвитель 4. Кроме того, режим однонаправленной "бегущей волны" устраняет эффект "пространственного выгорания провалов", присущий линейным лазерам. Торцы волокна 7 и 13 не отражают излучение лазера назад в волокно за счет того, что имеют или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). Коллимирование выходящего из торцов волокна излучения производится коллиматорами 8 и 12. Фокусировка излучения на оптический элемент с керровской нелинейной 10 осуществляется фокусирующими излучение оптическими элементами 9 и 11. В качестве коллиматоров и фокусирующих излучение оптических элементов могут быть использованы как линзы, так и объективы. Использование ответвителя 4 с поляризационной дискриминацией в сочетании с поддерживающими поляризацию излучения волоконными элементами резонатора позволяет осуществлять внутри резонатора лазера генерацию линейно-поляризованного излучения и устранить эффект нелинейной эволюции поляризации излучения, который мог бы проявляться при генерации лазером неполяризованного излучения. Поляризационная дискриминация излучения внутри резонатора лазера может быть усилена с помощью поляризатора, расположенного в коллимированном пучке излучения между коллиматором и фокусирующим излучение оптическим элементом. Проходные для излучения лазера поверхности поляризатора имеют угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса для того, чтобы предотвратить возможную паразитную генерацию при отражении излучения от проходных для излучения лазера поверхностей поляризатора. Устранение эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения (паразитного в данном случае) необходимо для реализации синхронизации мод излучения только на основе эффекта Керра, изменяющего значение показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля. Эффект Керра обеспечивает быстрый нелинейный отклик среды с характерным временем отклика порядка 10^-14-10^-15 с, что позволяет с использованием этого эффекта генерировать предельно короткие импульсы излучения, длительность которых может составлять всего один период колебаний электромагнитного поля. Керровская линза может ухудшать или улучшать настройку резонатора лазера за счет изменения фокусировки излучения. Например, изменение расстояния между фокусирующими излучение оптическими элементами 9 и 11 приводит к расстройке оптической системы, расположенной между торцами волокон 7 и 13, и к увеличению оптических потерь излучения при прохождении системы, однако действие керровской линзы в оптическом элементе 10 способно восстановить настройку оптической системы, расположенной между торцами волокон 7 и 13, и уменьшить оптические потери излучения при прохождении системы. Соответственно, короткий высокоинтенсивный импульс лазерного излучения будет иметь меньшие оптические потери в такой "расстроенной" оптической системе, чем длинный импульс или непрерывное излучение. Именно поэтому в лазере с изначально слегка расстроенной оптической системой, расположенной между торцами волокон 7 и 13, предпочтительным является режим синхронизации мод излучения за счет эффекта Керра, так как импульсное излучение лазера в этом режиме имеет меньшие оптические потери.

Все отражающие поверхности элементов резонатора лазера не должны отражать излучение назад в резонатор, иначе отраженное от этих поверхностей излучение может инициировать паразитную генерацию, неспособную решить задачу заявляемого изобретения. Торцы волокна 7 и 13 не отражают излучение лазера назад в волокно за счет того, что имеют или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). Проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса. Для уменьшения оптических потерь излучения при прохождении коллиматоров, фокусирующих излучение оптических элементов, оптического элемента с керровской нелинейностью и поляризатора их проходные для излучения лазера поверхности могут иметь просветляющее покрытие.

Синхронизация мод излучения на основе керровской линзы выгодно отличается от синхронизации мод на основе насыщающихся поглотителей тем, что керровская линза имеет неограниченный срок службы, работает в широком спектральном диапазоне, порог ее использования по плотности мощности излучения ограничивается только порогом разрушения самого материала.

Существует много оптических материалов, обладающих керровской нелинейностью и прозрачных в широком спектральном диапазоне - кварц, поликомпонентные стекла класса ТФ, сапфир, кальцит и другие. Керровская линза может формироваться в элементах из этих материалов в широком диапазоне спектра, что позволяет использовать такие элементы как для перестраиваемых по длине волны излучения лазеров, так и для лазеров с различными длинами волн излучения. Поскольку эффект Керра является нелинейным оптическим эффектом, вызывающим изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля, то наиболее сильно он проявляется при большой плотности мощности излучения, что в заявляемом изобретении обеспечивается расположением оптического элемента с керровской нелинейностью в фокусе излучения. Острая фокусировка лазерного излучения относительно короткофокусным элементом с фокусом 30-50 мм позволяет сформировать заметную керровскую линзу в оптических элементах, обладающих керровской нелинейностью, толщиной более 0,5 мм.

Заявляемое изобретение может быть реализовано с использованием широкого ряда усиливающих волокон - волокон, допированных редкоземельными ионами, такими как эрбий (Er³⁺), неодим (Nd³⁺), иттербий (Yb³⁺), тулий (Tm³⁺), гольмий (Ho³⁺), висмут (Bi³⁺) и другими, а также рамановских волокон.

При использовании рамановского лазера в качестве источника излучения накачки волоконного лазера спектр полосы усиления волоконного лазера соответствует либо спектру первой стоксовой компоненты рамановского лазера (без использования дополнительных брэгговских решеток), либо спектру второй стоксовой компоненты рамановского лазера (при использовании двух брэгговских решеток, "запирающих" излучение первой стоксовой компоненты), либо спектру третьей стоксовой компоненты рамановского лазера (при использовании четырех брэгговских решеток, две из которых "запирают" излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие "запирают" излучение второй стоксовой компоненты рамановского лазера). Описанные схемы соответствуют однокаскадному, двухкаскадному и трехкаскадному рамановскому лазеру. Использование рамановского лазера в качестве источника излучения накачки волоконного лазера позволяет осуществлять генерацию заявляемого лазера в ультрашироком спектральном диапазоне, в том числе в тех участках спектра, в которых не обеспечивают усиление волокна, допированные редкоземельными ионами.

Число каскадов рамановского лазера, используемого в качестве источника излучения накачки волоконного лазера, может быть больше трех, однако КПД преобразования излучения рамановского лазера уменьшается с числом каскадов, поэтому обычно длина волны накачки рамановского лазера выбирается как можно ближе к требуемому спектральному диапазону генерации для того, чтобы минимизировать число каскадов рамановского лазера и обеспечить больший КПД лазерной системы.

Возможность использования в качестве усиливающей среды волокон, допированных редкоземельными ионами, а также рамановских волокон в сочетании с возможностью плавной перестройки спектра излучения и керровским "всеволновым" элементом синхронизации мод излучения позволяет осуществлять генерацию коротких импульсов заявляемого лазера в ультрашироком спектральном диапазоне, соответствующем пересечению областей прозрачности используемых в лазере оптических материалов.

Для спектральной перестройки широкого спектра излучения лазера могут быть использованы спектрально-селективные отражающие элементы (фиг. 3 и 4), связь которых с кольцевым резонатором лазера осуществляется с помощью трехпортового циркулятора 15. Через этот циркулятор могут быть использованы как волоконные, так и объемные спектрально-селективные отражающие элементы - призмы, дифракционные решетки и т.д.

Для спектральной перестройки широкого спектра излучения лазера могут быть также использованы проходные волоконные спектрально-селективные элементы (фиг. 5) на основе волоконных интерферометров Фабри-Перо или Маха-Цендера или волоконных двулучепреломляющих спектральных фильтров.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения содержит оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, волоконный модуль спектрального сведения, поляризационно-зависимый ответвитель, поляризационно-зависимый изолятор, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно. Между торцами волокна расположены первый и второй коллиматоры. Все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения. Между коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью, толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации короткоимпульсного излучения с малым уровнем шумов в широком спектральном диапазоне. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащий оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в усиливающее волокно, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, поляризационно-зависимый изолятор излучения для обеспечения однонаправленной генерации, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно, расположенные между первым и вторым торцами волокна первый и второй коллиматоры, отличающийся тем, что все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения, между первым и вторым коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности коллиматоров и фокусирующих излучение оптических элементов имеют просветляющее покрытие.

3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют просветляющее покрытие.

4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью являются брюстеровскими.

5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в коллимированном пучке излучения между коллиматором и фокусирующим излучение оптическим элементом расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

6. Лазер по п. 5, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности поляризатора имеют просветляющее покрытие.

7. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве усиливающего волокна применяется как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

8. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения накачки волоконного лазера является рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и являющимися отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

9. Лазер по п. 8, отличающийся тем, что резонатор рамановского лазера образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

10. Волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащий оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в усиливающее волокно, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, поляризационно-зависимый изолятор излучения для обеспечения однонаправленной генерации, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно, расположенные между первым и вторым торцами волокна первый и второй коллиматоры, отличающийся тем, что все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения, между первым и вторым коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса, между вторым торцом волокна и усиливающим волокном расположен трехпортовый циркулятор, соединяющий резонатор лазера со спектрально-селективным отражающим элементом.

11. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности коллиматоров и фокусирующих излучение оптических элементов имеют просветляющее покрытие.

12. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют просветляющее покрытие.

13. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью являются брюстеровскими.

14. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что в коллимированном пучке излучения между коллиматором и фокусирующим излучение оптическим элементом расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

15. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности поляризатора имеют просветляющее покрытие.

16. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что в качестве усиливающего волокна применяется как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

17. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что источником излучения накачки волоконного лазера является рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и являющимися отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

18. Лазер по п. 17, отличающийся тем, что резонатор рамановского лазера образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

19. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что спектрально-селективным отражающим элементом является волоконная брэгговская решетка.

20. Лазер по п. 10, отличающийся тем, что спектрально-селективным отражающим элементом является объемный элемент, связанный с резонатором лазера через третий коллиматор и третий торец волокна, являющийся торцом волокна двунаправленного порта трехпортового циркулятора и не отражающий излучение лазера назад в волокно.

21. Лазер по п. 20, отличающийся тем, что спектрально-селективным отражающим элементом является объемная дифракционная решетка.

22. Лазер по п. 20, отличающийся тем, что спектрально-селективным отражающим элементом является зеркало с заданной спектральной полосой отражения.

23. Лазер по п. 20, отличающийся тем, что спектрально-селективным отражающим элементом является призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.

24. Волоконный импульсный кольцевой лазер с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащий оптически связанные источник излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор, содержащий усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в усиливающее волокно, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, поляризационно-зависимый изолятор излучения для обеспечения однонаправленной генерации, первый и второй торцы волокна, не отражающие излучение лазера назад в волокно, расположенные между первым и вторым торцами волокна первый и второй коллиматоры, отличающийся тем, что все волоконные элементы резонатора являются поддерживающими поляризацию излучения, между первым и вторым коллиматорами расположены два фокусирующих излучение оптических элемента, между которыми в перетяжке пучка лазерного излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса, между вторым торцом волокна и усиливающим волокном расположен волоконный спектрально-селективный элемент.

25. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности коллиматоров и фокусирующих излучение оптических элементов имеют просветляющее покрытие.

26. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют просветляющее покрытие.

27. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью являются брюстеровскими.

28. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что в коллимированном пучке излучения между коллиматором и фокусирующим излучение оптическим элементом расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.

29. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что проходные для излучения лазера поверхности поляризатора имеют просветляющее покрытие.

30. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что в качестве усиливающего волокна применяется как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.

31. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что источником излучения накачки волоконного лазера является рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и являющимися отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера.

32. Лазер по п. 31, отличающийся тем, что резонатор рамановского лазера образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.

33. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что волоконным спектрально-селективным элементом является волоконный интерферометр Фабри-Перо или волоконный интерферометр Маха-Цендера.

34. Лазер по п. 24, отличающийся тем, что волоконным спектрально-селективным элементом является волоконный двулучепреломляющий спектральный фильтр.