Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера Российский патент 2018 года по МПК H01S3/67 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для селекции поперечных мод в конструкции многомодового волоконного лазера. Данная селекция позволяет получить, с одной стороны, высокое качество пучка, т.е. малое значение параметра качества пучка М², с другой стороны излучение на выходе многомодового волоконного лазера с заданным поперечным распределением электромагнитного поля с различной геометрией: от кольцевой до более сложной формы. Высокое качество пучка требуется во многих практических применениях лазерных технологий, от высокоточной лазерной микрообработки материалов, до систем лазерной микроскопии с высоким пространственным разрешением. С другой стороны пучки с негауссовым поперечным распределением (например, кольцевой пучок), могут также применяться для решения многих задач от высокоэффективной лазерной поверхностной абляции различных материалов до записи 3-мерных структур внутри прозрачных материалов.

Термины, используемые авторами в описании заявляемого способа:

Основная мода - поперечная мода многомодового волоконного световода с азимутальным индексом m=0 и радиальным индексом р=1,

Высшие моды - поперечные моды многомодового волоконного световода со значениями азимутального индекса m и радиального индекса p отличными от соответствующих значений для основной моды,

Селектируемая мода - поперечная мода многомодового волоконного световода, которую требуется получить на выходе многомодового волоконного лазера в результате селекции поперечной моды многомодового волоконного световода,

ВБР - волоконная брэгговская решетка

Входная волоконная брэгговская решетка - волоконная брэгговская решетка, расположенная между источником накачивающего излучения и резонатором многомодового волоконного лазера.

Выходная волоконная брэгговская решетка - волоконная брэгговская решетка, расположенная между резонатором многомодового волоконного лазера и выходным концом многомодового волоконного лазера.

Выходной многомодовый волоконный световод - многомодовый волоконный световод, расположенный после выходной волоконной брэгговской решетки.

Активный многомодовый волоконный световод - многомодовый волоконный световод, сердцевина которого легирована ионами редкоземельных элементов, например, эрбием, иттербием, тулием, гольмием, висмутом, неодимом и их комбинацией.

Полностью волоконная схема многомодового волоконного лазера - схема многомодового волоконного лазера, в которой участок от заведения накачивающего излучения до выходного многомодового волоконного световода полностью состоит из волоконных многомодовых световодов без элементов объемной оптики.

Полностью волоконная схема многомодового волоконного лазера обладает компактностью, надежностью, долговременной стабильностью по сравнению со схемами, требующими юстировки объемных оптических элементов, что необходимо для практического применения данного лазерного источника и приборов на его основе.

Известно техническое решение, представленное в многомодовом волоконном лазере (Патент US №8582609, «Fiber lasers with devices capable of suppressing high-order mode mixing and generating high quality and low noise laser light», МПК H01S 3/30, опубликован 12.11.2013). В данном методе фильтрация высших поперечных мод многомодового волоконного лазера достигается с помощью изгиба многомодового волоконного световода с определенным радиусом изгиба, что приводит к возникновению значительных оптических потерь мощности для высших поперечных мод при их распространении и незначительному увеличению потерь для основной моды многомодового волоконного световода.

Недостатком известного технического решения является необходимость обеспечения определенного радиуса изгиба многомодового волоконного световода в заданном диапазоне, который обеспечивает подавление высших поперечных мод, поэтому известное техническое решение не позволяет селектировать высшие поперечные моды.

Известно техническое решение для селекции мод в многомодовом волоконном лазере (Патент US №5121460 «High-power mode-selective optical fiber laser», МПК H01S 3/067, H01S 3/094, H01S 3/08, опубликован 09.06.1992). В данном методе селекция поперечной моды многомодового волоконного лазера осуществляется с помощью формирования области в многомодовом волоконном световоде с кольцевым поперечным сечением определенного радиуса, обладающей поглощением на длине волны генерации многомодового волоконного лазера и расположенной вдоль оси многомодового волоконного световода. Данное поглощение приводит к возникновению потерь для высших поперечных мод многомодового волоконного световода при их распространении, но не вносит существенных потерь для основной поперечной моды при ее распространении. Таким образом, осуществляется селекция основной поперечной моды многомодового волоконного световода. Для осуществления селекции высших поперечных мод многомодового волоконного световода данную область размещают на оси многомодового волоконного световода и выбирают радиус области равный радиусу основной моды.

Недостатком известного технического решения в виде селекции поперечных мод многомодового волоконного световода является использование нестандартных многомодовых волоконных световодов со сложной конфигурацией профиля показателя преломления сердцевины и оболочки многомодового волоконного световода для селекции определенной поперечной моды многомодового волоконного световода, что существенно затрудняет их изготовление и широкое применение.

Известно техническое решение, представленное в статье (J.М.О. Daniel, J.S.P. Chan, J.W. Kim, J.K. Sahu, M. Ibsen, and W.A. Clarkson, "Novel technique for mode selection in a multimode fiber laser," Opt. Express, vol. 19, no. 13, pp.12434-12439, 2011.). В данном методе селекция поперечных мод многомодового волоконного лазера осуществлялась за счет одновременного использования волоконной брэгговской решетки, записанной в многомодовом активном волокне, и объемной брэгговской решетки, расположенной в открытой части резонатора многомодового волоконного лазера под определенным углом падения излучения. Данный угол выбирается из условия равенства резонансных длин волн отражения волоконной брэгговской решетки (для основной поперечной моды многомодового волоконного лазера) и объемной брэгговской решетки, тем самым обеспечивается селекция основной моды излучения многомодового волоконного лазера.

Недостатком известного технического решения является использование внешней объемной брэгговской решетки, которая должна быть расположена под определенным углом относительно направления падающего излучения для согласования длины волны отражения с резонансной длиной волны волоконной брэгговской решеткой, что, во-первых, существенно усложняет схему многомодового волоконного лазера и требует постоянной юстировки объемной брэгговской решетки для сохранения определенного угла, во-вторых, данное техническое решение не применимо в случае многомодового волоконного лазера в полностью волоконном исполнении.

Известно техническое решение, представленное в статье (Т. Liu, S.-P. Chen, and J. Hou, "Selective transverse mode operation of an all-fiber laser with a mode-selective fiber Bragg grating pair," Opt. Lett., vol. 41, no. 24, pp.5692-5695, 2016.), выбранное в качестве прототипа. В данном методе селекция поперечных мод многомодового волоконного лазера осуществлялась с помощью двух согласованных волоконных брэгговских решеток, записанных в многомодовых волоконных световодах, имеющих различные значения числовой апертуры. Разница числовых апертур приводит к разным значениям длин волн между соседними пиками отражения ВБР, соответствующих различным поперечным модам. Подбирая параметры ВБР таким образом, что положения пиков обеих ВБР, соответствующих определенной моде, совпадали, добиваются селекции данной моды в полностью волоконном исполнении.

Недостатком данного технического решения является необходимость использования двух разных многомодовых волоконных световодов с отличающимися оптическими характеристиками для обеспечения заметной разницы в межпиковом расстоянии для поперечных мод разных ВБР, что приводит к появлению оптических потерь в месте сварки многомодовых волоконных световодов с разными характеристиками. Таким образом, данный метод не применим для селекции мод в многомодовом полностью волоконном лазере, собранном на основе одного и того же многомодового волоконного световода.

Перед авторами ставилась задача разработать способ селекции поперечных мод в многомодовом волоконном лазере, в том числе высших мод, сконструированного на основе одного многомодового волоконного световода в полностью волоконной схеме.

Поставленная задача решается тем, что в способе селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера, включающем использование активной среды многомодового волоконного лазера; входной волоконной брэгговской решетки, выполненной с коэффициентом отражения мощности излучения более 80%, выходной волоконной брэгговской решетки, выполненной с коэффициентом отражения мощности излучения менее 55%, и при этом выполненных с равными резонансными длинами волн отражения излучения, соответствующими селектируемой поперечной моде многомодового волоконного световода; формирование резонатора многомодового волоконного лазера в многомодовом волоконном световоде; заведение накачивающего излучения от источника излучения в многомодовый волоконный световод; генерацию лазерного излучения многомодовым волоконным лазером; формирование торца выходного многомодового волоконного световода с углом более 8 градусов между осью многомодового волоконного световода и нормалью к торцевой поверхности выходного многомодового волоконного световода, расположенного после выходной волоконной брэгговской решетки, выходную волоконную брэгговскую решетку дополнительно формируют обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления сердцевины многомодового волоконного световода, при этом поперечно-неоднородный профиль определяется расположением одиночных областей модификаций показателя преломления внутри сердцевины многомодового волоконного световода, и обеспечивает максимальное значение коэффициента связи k_mp в выходной волоконной брэгговской решетке для селектируемой моды многомодового волоконного световода, и также минимальное значение коэффициента связи k_m'p'- для других поперечных мод многомодового волоконного световода, который определяют согласно формуле:

где Δn(r, φ) - величина изменения показателя преломления в точке с координатами (r, φ), Е_mp(r, φ) - распределение поля поперечной моды многомодового волоконного световода с радиальным индексом p и азимутальным индексом m:

где - полином Лагерра, r₀ - радиус поля основной поперечной моды многомодового волоконного световода, при этом выходную волоконную брэгговскую решетку выполняют фемтосекундным лазерным излучением посредством объектива с высокой числовой апертурой в сердцевине многомодового волоконного световода на расстоянии длины резонатора от входной волоконной брэгговской решетки, а резонатор многомодового волоконного лазера выполняют осуществляющим дополнительную селекцию поперечных мод посредством поперечно-неоднородного профиля показателя преломления выходной волоконной брэгговской решетки, выполненной в сердцевине многомодового волоконного световода, при этом входную волоконную брэгговскую решетку выполняют фемтосекундным лазерным излучением в сердцевине многомодового волоконного световода, формируя поперечно-неоднородный профиль показателя преломления, обеспечивающий максимальное значение коэффициента связи k_mp входной волоконной брэгговской решетки для селектируемой модой многомодового волоконного световода и минимальное значение коэффициента связи k_m'p' - для других поперечных мод многомодового волоконного световода, далее входную волоконную брэгговскую решетку выполняют ультрафиолетовым лазерным излучением с поперечно-однородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода, далее в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют пассивный многомодовый волоконный световод с одинарной оболочкой либо в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют пассивный многомодовый волоконный световод с двойной оболочкой, далее в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют многомодовый активный волоконный световод, с одинарной оболочкой, либо в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют многомодовый активный волоконный световод, выполненный с двойной оболочкой, далее заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в оболочку многомодового активного волоконного световода, либо заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в сердцевину многомодового активного волоконного световода, либо заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в оболочку многомодового пассивного волоконного световода, либо заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в сердцевину многомодового пассивного волоконного световода.

Техническим эффектом заявляемого способа селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера является расширение области применения многомодового волоконного лазера, уменьшение оптических потерь лазерного излучения, возможность селекции высших поперечных мод, повышение стабильности работы многомодового волоконного лазера, упрощение конструкции многомодового волоконного лазера.

Кроме того, применение заявляемого способа позволяет уменьшить расходимость пучка лазерного излучения в случае селекции основной поперечной моды вследствие малого значения М², приводящее к увеличению расстояния передачи лазерного излучения, а также к уменьшению размера области фокусировки лазерного излучения, что увеличивает точность при микрообработке материалов. В случае селекции высших поперечных мод многомодового волоконного лазера, например, кольцевой, заявляемый способ позволяет увеличить производительность лазерной абляции материала по сравнению с пучком, имеющим гауссовское распределение интенсивности.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая работу заявляемого способа селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера, где 1 - источник излучения, 2 - входная волоконная брэгговская решетка, 3 - выходная волоконная брэгговская решетка, 4 - активная среда многомодового волоконного лазера, 5 - резонатор многомодового волоконного лазера, 6 - место сварки многомодовых волоконных световодов, 7 - торец выходного многомодового волоконного световода.

На фиг. 2 представлен поперечный профиль сердцевины многомодового волоконного световода с записанной выходной волоконной брэгговской решеткой, имеющей поперечно-неоднородный профиль показателя преломления, где 8 - поперечно-неоднородный профиль показателя преломления волоконной брэгговской решетки, 9 - область одиночной модификации показателя преломления, 10 - сердцевина многомодового волоконного световода.

На фиг 3 представлен спектр отражения входной волоконной брэгговской решетки (пунктирная линия) с поперечно-однородным профилем показателя преломления и выходная волоконная брэгговская решетка (сплошная линия) с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления, где 11 - пик в спектре отражения волоконной брэгговской решетки, соответствующий основной поперечной моде многомодового волоконного световода, 12 - пик в спектре отражения волоконной брэгговской решетки, соответствующий второй группе поперечных мод многомодового волоконного световода, 13 - пик в спектре отражения волоконной брэгговской решетки, соответствующий третьей группе поперечных мод многомодового волоконного световода.

На фиг. 4 представлен спектры генерации многомодового волоконного лазера с волоконным отражателем лазерного излучения, выполненным разными способами, где 14 - спектр генерации многомодового волоконного лазера в случае использования в качестве выходной волоконной брэгговской решетки прямого скола торца выходного многомодового волоконного световода, 15 - спектр генерации многомодового волоконного лазера в случае использования в качестве выходной волоконной брэгговской решетки ВБР с поперечно-однородным профилем показателя преломления, 16 - спектр генерации многомодового волоконного лазера в случае использования в качестве выходной волоконной брэгговской решетки, ВБР с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления.

На фиг. 5 представлена зависимость радиуса пучка многомодового волоконного лазера после селекции основной поперечной моды.

Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера использует схему многомодового волоконного лазера, в которой участок от места заведения накачивающего излучения от источника излучения 1 в сердцевину, либо в оболочку многомодового пассивного волоконного световода, а так же либо в сердцевину, либо в оболочку многомодового активного волоконного световода до выходного многомодового волоконного световода. Этот участок полностью состоит из волоконных многомодовых световодов без элементов объемной оптики и включает в себя использование источника накачивающего излучения 1, входной волоконной брэгговской решетки 2, которая выполнена с коэффициентом отражения мощности излучения более 80% либо ультрафиолетовым лазерным излучением с поперечно-однородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода либо фемтосекундным лазерным излучением с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода, выходной волоконной брэгговской решетки 3, которая выполнена с коэффициентом отражения мощности излучения менее 55%, активной среды многомодового волоконного лазера 4, состоящая, например, из пассивного многомодового волоконного световода с одинарной оболочкой, либо из пассивного многомодового волоконного световода с двойной оболочкой для генерации лазерного излучения за счет нелинейного эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), которое также называют рамановским рассеянием, при этом частота ВКР-генерации уменьшается по сравнению с частотой накачивающего излучения на постоянную величину ВКР сдвига частоты, зависящую от материала сердцевины многомодового волоконного световода активной среды многомодового волоконного лазера, либо из активного многомодового волоконного световода с одинарной оболочкой, либо из активного многомодового волоконного световода с двойной оболочкой для генерации лазерного излучения за счет вынужденного перехода атомов редкоземельных элементов из возбужденного состояния в основное, при этом длина волны генерации многомодового волоконного лазера определяется спектральной областью люминесценции атомов редкоземельных элементов, активная среда в совокупности с входной и выходной волоконными брэгговскими решетками образуют резонатор многомодового волоконного лазера 5, многомодовые волоконные световоды соединяются в местах сварок 6 многомодовых волоконных световодов, торец выходного многомодового волоконного световода 7 имеет угол более 8 градусов между осью многомодового волоконного световода и нормалью к торцевой поверхности выходного многомодового волоконного световода. Генерация излучения в многомодовом волоконном лазере осуществляется на собственных модах резонатора. В частности, его поперечные моды формируются в многомодовых волоконных световодах, образующих резонатор, и соответствуют поперечным модам этих многомодовых волоконных световодов.

В заявляемом способе выходную волоконную брэгговскую решетку 3 выполняют фемтосекундным лазерным излучением в сердцевине многомодового волоконного световода посредством объектива с высокой числовой апертурой в сердцевине многомодового волоконного световода и формируют обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления сердцевины многомодового волоконного световода. Выходная ВБР 3 имеет поперечно-неоднородный профиль показателя преломления 8, который определяется взаимным расположением областей одиночных модификаций показателя преломления 9 внутри сердцевины многомодового волоконного световода 10. Каждая область одиночной модификации 9 показателя преломления сердцевины многомодового волоконного световода создается с помощью одного импульса фемтосекундного лазера, сфокусированного с помощью объектива с высокой числовой апертурой. Поперечный размер области одиночной модификации показателя преломления 9 можно оценить по следующей формуле: 2w₀=4λf/πD, где λ - длина волны фемтосекундного лазерного излучения, f - фокусное расстояние линзы, D - диаметр пучка до фокусирующей линзы, 2z₀=2πnw₀/λ - поперечный размер, где n - показатель преломления материала. Как видно из данных формул при достаточно сильной фокусировке (f<2 мм) можно получить область одиночной модификации показателя преломления 9 менее 1 мкм в поперечном направлении и менее 10 мкм в продольном направлении. С помощью фокусировки в различные области сердцевины многомодового волоконного световода, имеющей диаметр 2R (например, в распространенных многомодовых волоконных световодах диаметр сердцевины равен 50 и 62.5 мкм), можно создать ВБР с заданным поперечным профилем 8:

- для селекции основной моды многомодового волоконного световода (ФИГ. 2а),

- для селекции высших моды с радиально-симметричным распределением электромагнитного поля (ФИГ. 2б),

- для селекции высших мод с радиально не симметричным распределением электромагнитного поля (ФИГ. 2в).

Данная селекция мод с помощью ВБР с представленными поперечными профилями показателя преломления основывается на зависимости коэффициента связи k_mp ВБР и, следовательно, коэффициента отражения ВБР, от интеграла перекрытия между областью модификации показателя преломления и поперечным распределением поля моды многомодового волоконного световода. При этом поперечно-неоднородный профиль 8 волоконной брэгговской решетки определяется расположением областей одиночных модификаций показателя преломления 9 внутри сердцевины многомодового волоконного световода, и обеспечивает максимальное значение коэффициента связи k_mp в выходной волоконной брэгговской решетке 3 для селектируемой моды многомодового волоконного световода и минимальное значение коэффициента связи k_m'p' для других поперечных мод многомодового волоконного световода, который согласно теории волоконных брэгговских решеток определяется согласно формуле:

где Δn(r, φ) - величина изменения показателя преломления в точке с координатами (r, φ), Е_mp(r, φ) - распределение поля поперечной моды многомодового волоконного световода с радиальным индексом p и азимутальным индексом m:

где - полином Лагерра, r₀ - радиус поля основной поперечной моды многомодового волоконного световода. Таким образом, задавая определенным образом местоположение Δn(r, φ) в сердцевине многомодового волоконного световода, можно выполнить селекцию определенных поперечных мод при отражении от ВБР с заданным поперечным-неоднородным профилем. Например, для случая, представленного на Фиг. 2а, интегралы перекрытия максимальны для мод с индексом m=0 (мода LP₀₁, LP₀₂ и др.). По этой причине в спектре отражения данной ВБР появляются пики, соответствующие данным модам, которые также проявляются в спектре генерации многомодового волоконного лазера при использовании данной ВБР в качестве выходной волоконной брэгговской решетки. Для случая, представленного на фиг. 2б, интегралы перекрытия будут максимальны для мод LP₁₁, LP₁₂ и др., имеющие кольцевую форму распределения поля. Для случая, представленного на Фиг. 2в, интегралы перекрытия будут максимальны для несимметричных мод, имеющих максимум значения электромагнитного поля в данной области расположения модификаций.

Различные поперечные моды многомодового волоконного световода с одинаковыми значениями константы распространения образуют группы мод с номером группы g=2р+|m|-1. В спектре отражения ВБР с однородным поперечным профилем показателя преломления каждой группе мод будет соответствовать свой пик отражения на соответствующей длине волны, причем резонансная длина волны отражения будет максимальна для первой группы мод и будет уменьшаться при возрастании номера группы мод. В случае ВБР с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления данная конфигурация пиков отражения может быть изменена таким образом, что некоторые пики отражения будут подавлены за счет описанной выше селекции поперечных мод. Соответственно, при расположении такой ВБР в резонаторе многомодового волоконного лазера будет происходить селекция поперечных мод многомодового волоконного лазера, имеющих высокий коэффициент отражения и фильтрация других мод, которые слабо отражаются от данной ВБР.

Входную волоконную брэгговскую решетку 2 и выходную волоконную брэгговскую решетку 3 выполняют с равными резонансными длинами волн отражения излучения, соответствующими селектируемой поперечной моде многомодового волоконного световода для формирования резонатора 5 многомодового волоконного лазера. Резонатор 5 многомодового волоконного лазера выполняют осуществляющим дополнительную селекцию поперечных мод посредством поперечно-неоднородного профиля показателя преломления волоконной брэгговской решетки, выполненной в сердцевине многомодового волоконного световода. При этом торец выходного многомодового волоконного световода после выходной ВБР скалывался под углом более 8 градусов для уменьшения обратной связи, возникающей за счет френелевского отражения.

Использование полностью волоконной схемы многомодового волоконного лазера, сконструированного на основе одного и того же многомодового волоконного световода, позволяет уменьшить оптические потери лазерного излучения, возникающие в местах сварок многомодовых волоконных световодов, повысить стабильность работы многомодового волоконного лазера из-за отсутствия необходимости периодической подстройки объемных оптических элементов, упростить конструкцию многомодового волоконного лазера.

Для демонстрации работоспособности предложенного способа селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера была изготовлена волоконная брэгговская решетка методом поточечной записи фемтосекундным лазерным излучением с расположением области модификации в центре сердцевины многомодового волоконного световода Corning 62.5/125 с общей длиной ВБР 1.3 мм, с периодом Λ=0.645 мкм, с коэффициентом отражения ~4% и полной шириной спектра на полувысоте Δλ=0.21 нм на длине волны 954 нм. Спектр отражения данной ВБР представлен на Фиг. 3 (сплошная линия). Как было сказано выше, при расположении области одиночной модификации показателя преломления в центре сердцевины многомодового волоконного световода будут эффективно отражаться поперечные моды, имеющие максимум значения поля в центре сердцевины многомодового волоконного световода: основная 11 поперечная мода LP₀₁ (g=1), LP₀₂ из третьей модовой группы (g=3) 12, тогда как высшая 13 поперечная мода LP₁₁ (g=2) будет иметь незначительное отражение и, следовательно, будет подавлена, что и наблюдается на Фиг. 3. Для сравнения на Фиг. 3 представлен спектр ВБР (пунктирная линия), записанной в интерференционной схеме ультрафиолетовым (УФ) излучением в сердцевине того же многомодового волоконного световода и имеющей, соответственно, однородный поперечный профиль показателя преломления. В данном случае наблюдаются пики отражения, соответствующие как основной поперечной моде (g=1), так и высшим группам мод (g>1), поскольку интегралы перекрытия всех мод отличны от нуля, и поэтому селекции мод в данном случае не наблюдается.

Далее, записанная выходная ВБР с поперечно-неоднородным профилем была помещена в резонатор многомодового волоконного ВКР-лазера, схема которого представлена на фиг. 1. Накачивающее излучение мощного многомодового лазерного диода с длиной волны 915 нм и выходной мощностью 85 Вт заводилось в сердцевину многомодового волоконного световода Corning 62.5/125 (числовая апертура NA=0,275) с помощью коллимирующих линз L1,2 с эффективностью >70%. Резонатор был образован высокоотражающей (R1~80%) входной ВБР, имеющей однородный поперечный профиль, и выходной ВБР, записанной в центральной области сердцевины многомодового волоконного световода излучением фемтосекундного (фс) лазера методом поточечной записи. При этом торец выходного многомодового волоконного световода после выходной ВБР скалывался под углом более 8° для уменьшения обратной связи, возникающей за счет френелевского отражения. Для сравнения режимов генерации многомодового волоконного ВКР-лазера вместо выходной ВБР также использовался прямой скол торца многомодового волоконного световода, обеспечивающий френелевское отражение (4%), а также выходной ВБР, записанной в интерференционной схеме УФ излучением в сердцевине многомодового волоконного световода и имеющей однородный поперечный профиль.

В случае использования неселективного по модам френелевского отражения от выходного торца многомодового волоконного световода наблюдается генерация относительно однородного спектра 14 шириной ~1 нм (пунктирная линия на Фиг. 4). Для выходной ВБР с однородным поперечным профилем наблюдается трехпиковая структура 15 с расстоянием между пиками ~0,6 нм, соответствующая отражению трех первых модовых групп многомодового волоконного световода с малыми поперечными индексами (штрихпунктирная линия на Фиг. 4). Компонента на длине волны 954 нм соответствует основной моде, а номер модовой группы увеличивается в коротковолновую сторону. Ширина спектра отражения для каждой группы мод мала, поэтому спектр генерации различных групп хорошо различается.

В случае выходной ВБР с поперечно-неоднородным профилем наблюдается спектр генерации 16, состоящий из одного пика, соответствующего основной поперечной моде многомодового волоконного световода (сплошная линия на Фиг. 4). Измерения показали, что параметр качества выходного пучка М²<1.3 при выходной мощности от 5 до 10 Вт, т.е. генерация близка к одномодовой (фиг. 5).

Таким образом, заявленный способ позволяет выполнять селекцию поперечных мод многомодового волоконного лазера, сконструированного на основе одного и того же многомодового волоконного световода в полностью волоконной схеме с выходной ВБР, записанной фемтосекундным лазерным излучением и обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления. Данная селекция важна при создании волоконных лазеров с высоким качеством пучка (М²<1.3) на основе многомодовых волоконных световодов, а также для генерации излучения со специальным поперечным распределением интенсивности в пучке, например, с кольцевым поперечным сечением.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера включает использование брэгговских решеток, при этом выполненных с равными резонансными длинами волн отражения излучения, соответствующими селектируемой поперечной моде многомодового волоконного световода; формирование торца выходного многомодового волоконного световода с углом более 8°между осью световода и нормалью к торцевой поверхности выходного световода, расположенного после выходной волоконной брэгговской решетки. Выходную брэгговскую решетку дополнительно формируют обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода. Поперечно-неоднородный профиль определяется расположением одиночных областей модификаций показателя преломления внутри сердцевины световода и обеспечивает максимальное значение коэффициента связи k_mp в выходной решетке для селектируемой моды и минимальное значение коэффициента связи k_m'p' для других поперечных мод многомодового световода, который определяют согласно формуле

где Δn(r,φ) - величина изменения показателя преломления в точке с координатами (r,φ), E_mp(r,φ) - распределение поля поперечной моды многомодового волоконного световода с радиальным индексом p и азимутальным индексом m

где - полином Лагерра, r₀ - радиус поля основной поперечной моды многомодового волоконного световода. Выходную решетку выполняют в сердцевине световода на расстоянии длины резонатора от входной решетки. Техническим результатом является повышение стабильности работы многомодового волоконного лазера и упрощение его конструкции. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера, включающий использование активной среды многомодового волоконного лазера; входной волоконной брэгговской решетки, выполненной с коэффициентом отражения мощности излучения более 80%, выходной волоконной брэгговской решетки, выполненной с коэффициентом отражения мощности излучения менее 55%, и при этом выполненных с равными резонансными длинами волн отражения излучения, соответствующими селектируемой поперечной моде многомодового волоконного световода; формирование резонатора многомодового волоконного лазера в многомодовом волоконном световоде; заведение накачивающего излучения от источника излучения в многомодовый волоконный световод; генерацию лазерного излучения многомодовым волоконным лазером; формирование торца выходного многомодового волоконного световода с углом более 8° между осью многомодового волоконного световода и нормалью к торцевой поверхности выходного многомодового волоконного световода, расположенного после выходной волоконной брэгговской решетки, отличающийся тем, что выходную волоконную брэгговскую решетку дополнительно формируют обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода, при этом поперечно-неоднородный профиль определяется расположением одиночных областей модификаций показателя преломления внутри сердцевины многомодового волоконного световода и обеспечивает максимальное значение коэффициента связи k_mp в выходной волоконной брэгговской решетке для селектируемой моды многомодового волоконного световода, и также минимальное значение коэффициента связи k_m'p' для других поперечных мод многомодового волоконного световода, который определяют согласно формуле

где Δn(r,φ) - величина изменения показателя преломления в точке с координатами (r,φ), E_mp(r,φ) - распределение поля поперечной моды многомодового волоконного световода с радиальным индексом p и азимутальным индексом m

где - полином Лагерра, r₀ - радиус поля основной поперечной моды многомодового волоконного световода, при этом выходную волоконную брэгговскую решетку выполняют фемтосекундным лазерным излучением посредством объектива с высокой числовой апертурой в сердцевине многомодового волоконного световода на расстоянии длины резонатора от входной волоконной брэгговской решетки, а резонатор многомодового волоконного лазера выполняют осуществляющим дополнительную селекцию поперечных мод посредством поперечно-неоднородного профиля показателя преломления выходной волоконной брэгговской решетки, выполненной в сердцевине многомодового волоконного световода.

2. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что входную волоконную брэгговскую решетку выполняют фемтосекундным лазерным излучением в сердцевине многомодового волоконного световода, формируя поперечно-неоднородный профиль показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода, обеспечивающий максимальное значение коэффициента связи k_mp входной волоконной брэгговской решетки для селектируемой моды многомодового волоконного световода и минимальное значение коэффициента связи k_m'p' для других поперечных мод многомодового волоконного световода.

3. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что входную волоконную брэгговскую решетку выполняют ультрафиолетовым лазерным излучением с поперечно-однородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода.

4. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют пассивный многомодовый волоконный световод с одинарной оболочкой.

5. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют пассивный многомодовый волоконный световод с двойной оболочкой.

6. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют многомодовый активный волоконный световод с одинарной оболочкой.

7. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активной среды многомодового волоконного лазера используют многомодовый активный волоконный световод с двойной оболочкой.

8. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в оболочку многомодового активного волоконного световода.

9. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в сердцевину многомодового активного волоконного световода.

10. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в оболочку многомодового пассивного волоконного световода.

11. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что заведение излучения источника накачивающего излучения осуществляют в сердцевину многомодового пассивного волоконного световода.