ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР, ГЕНЕРИРУЮЩИЙ СВЕРХКОРОТКИЕ ИМПУЛЬСЫ Российский патент 2018 года по МПК H01S3/67 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к волоконным лазерам, генерирующим сверхкороткие импульсы, В частности, настоящее изобретение относится к малогабаритным сверхкороткоимпульсным волоконным лазерам с синхронизированными модами и перестраиваемой длительностью импульса.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

Высокоэнергетические импульсные волоконные лазерные системы получили широкое распространение в современной коммерческой промышленности, а также в различных сферах науки и технологии. Возможность применения импульсных волоконных лазеров в промышленных целях зависит от средней и пиковой мощности импульсов, выходной энергии, качества пучка, длины волны, КПД, надежности, стабильности частоты, прочности и компактности лазера.

Разработка новых малогабаритных высокоэнергетических волоконных лазеров не менее важна, чем улучшение электрооптических характеристик этих лазеров. Обеспечение компактности является важнейшим шагом на пути достижения конечной цели по размещению усовершенствованных высокоэнергетических лазерных систем в условиях ограниченного рабочего пространства, где первостепенное значение имеют размеры, мощность и масса таких систем. Малогабаритные высокоэнергетические волоконные лазеры, работающие в непрерывном или импульсном режиме, последний из которых является предметом настоящего изобретения, служат определяющими факторами успешной разработки лучших решений для широкого спектра сфер применения, каждая из которых, однако, отличается ярко выраженными индивидуальными особенностями.

Волоконный лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы, представляет собой лазер, излучающий импульсы, длительность которых лежит в пределах от субпикосекундного диапазона до десятков пикосекунд. Лазеры такой конструкции, равно как и лазеры иных конструкций, широко используются при резке, сварке и других стандартных операциях. Кроме того, сверхкороткоимпульсные волоконные лазеры применяются в специфических областях, включая резку листового стекла, выполнение межслойных отверстий в многослойных печатных платах и отверстий точных размеров в топливных форсунках, микромеханическую обработку, офтальмологию и пр. Для достижения требуемой эффективности в этих сферах применения необходима точная настройка энергии импульса и пиковой мощности.

Импульсные волоконные лазеры киловаттного и мегаваттного уровня мощности обычно выполнены по схеме МОРА (задающий генератор - усилитель мощности) с использованием волоконного усилителя. В этой конфигурации задающий генератор генерирует лазерные импульсы, а волоконный усилитель усиливает эти импульсы до выходной мощности высокого уровня. Усиление импульсов ограничено возникновением оптических нелинейностей. Для отбора большей энергии из усилителя сверхкороткими импульсами используется усиление чирп-импульсов. В этом способе для уменьшения пиковой мощности импульсов они растягиваются во времени посредством дисперсии. Импульс может быть растянут во времени от нескольких субпикосекунд до десятков наносекунд. По завершении усиления продолжительность импульса обычно восстанавливается (сжимается) до первоначальных значений. Обычно, как чирпирование (частотная модуляция во времени), так и сжатие импульсов реализуется крупногабаритными объемными элементами.

Таким образом, существует потребность в малогабаритном высокоэнергетическом волоконном лазере, генерирующем сверхкороткие импульсы, с компактно сконструированными компонентами, обеспечивающими чирпирование и сжатие импульсов.

В некоторых сферах применения необходима быстрая перенастройка длительности импульса. Примером может служить использование субпикосекундных импульсов для выполнения одной технологической операции и пикосекундных импульсов для выполнения следующей операции, что требует быстрого перехода с одного режима на другой. Другим примером может служить повторная установка длительности импульса в исходное значение с целью изменения параметров лазерной обработки. Это может быть изменение пиковой мощности импульсов, меняющее, величину нелинейности в волоконном усилителе и требования к компенсации дисперсии, обусловленной изменением пиковой мощности.

Для такого быстрого переключения может быть использована решетка линейно-чирпированная ВБР. Линейно-чирпированная волоконная брэгговская решетка (ВБР) наводит линейный чирп вдоль импульса. За счет регулирования длины ВБР можно изменять дисперсию решетки. Один из известных способов перестройки длительности импульса в реальном масштабе времени предусматривает регулирование температуры решетки. Однако скорость такой перестройки ограничена контуром регулирования температуры. Другой способ регулирования длины волоконной брэгговской решетки заключается в механическом растягивании этой решетки. Это можно сделать с помощью электропривода. Однако и в этом случае существует ограничение в виде предельной скорости механического привода. Способ более быстрой перестройки заключается в использовании пьезоэлектрического преобразователя. К сожалению, пьезоэлектрический преобразователь имеет ограниченный диапазон перемещения, а его применение ограничено использованием нелинейно-чирпированной ВБР (ВБР с нелинейным чирпом) для компенсации лимитированной перестройки длительности импульса - в общем, нелинейной дисперсии.

Таким образом, по-прежнему существует потребность в высокомощной волоконной импульсной лазерной системе в конфигурации МОРА со схемой перестройки длительности импульса на базе пьезоэлектрического привода, выполненной с возможностью растяжения линейно-чирпированной ВБР (ВБР с линейным чирпом) на большее расстояние, чем это предусмотрено в известных схемах.

Способность доставлять высокоинтенсивные, в общем, дифракционно-ограниченные импульсные пучки лазерного излучения в труднодоступные места нельзя рассматривать без отсылки к проблеме общей компактности лазерных систем. Желательно, чтобы доставка импульсов осуществлялась по волокну, поскольку не всегда удобно размещать всю лазерную систему вместе с затравочным лазером, предусилителем, источником накачки, электроникой и прочими обязательными компонентами в непосредственной близости к требуемому месту назначения. В большинстве сфер применения лазеров требуется высокая степень управляемости источником лазерного излучения. В этих сферах применения пассивное волокно доставки направляет дифракционно-ограниченные импульсные пучки, усиленные МОРА, (усилителем мощности с: задающим генератором), в лазерную обрабатывающую головку, которая имеет относительно небольшие размеры, характеризуется небольшим весом и снабжена направляющей оптикой, фокусирующей пучок в требуемой точке.

Технологический вызов с использованием волокон в высокоэнергетичееких волоконных лазерах и, в частности, импульсных лазерах заключается в комбинировании высоких пиковых мощностей киловаттного и мегаваттного уровня, которые сопряжены с относительно низким порогом возникновения нелинейных эффектов, включая фазовую самомодуляцию. Обычно нелинейные эффекты ограничивают шкалу мощности волоконного лазера, выполненного с возможностью излучения дифракционно-ограниченных пучков импульсов. Специалистам в области лазерной техники известны два общих подхода к решению проблемы возникновения нелинейных эффектов, которые получили широкое распространение, а именно: 1) увеличение сечения сердцевины активных волокон, т.е. волокон, сердцевина которых Легирована ионами редкоземельных элементов; и 2) уменьшение длины волокон.

Таким образом, существует потребность в высокоэнергетическом импульсном волоконном одномодовом (ОМ) лазере с компактной системой переноса лучей, использующей преимущества активных волокон с многомодовой (ММ) сердцевиной, который должен быть выполнен с возможностью поддержки только одной основной моды и характеризоваться торцевой накачкой.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Указанные выше потребности могут быть удовлетворены описанным в настоящем документе высокоэнергетическим волоконным ОМ лазером, генерирующим сверхкороткие импульсы, который характеризуется наличием множества компонентов, спроектированных таким образом, чтобы это способствовало обеспечению общей компактности системы, высокой пиковой мощности сигнального светового пучка и сверхкоротких импульсов перестраиваемой длительности.

Описанная лазерная система отличается наличием волоконного усилителя, который одновременно выполняет функции усилителя и средства доставки сигнального светового пучка по волокну. За счет волоконного усилителя, вытянутого в свободном пространстве между пультом управления, в корпус которого заключены все периферийные компоненты, включая затравочный лазер, предусилитель, электронику и узел накачки, и. лазерной головкой, обеспечивается компактность и легкость описанной лазерной головки.

Описанная система характеризуется наличием малогабаритного расширителя и компрессора лазерных импульсов. Расширитель импульсов снабжен упругой подвеской, которая поддерживает волоконную брэгговскую решетку с ЧМ и обеспечивает прием пьезоэлектрического элемента, выполненного с возможностью изгибания подвески, которая, таким образом, характеризуется широким диапазоном изгибания.

Расширенный диапазон изгибания подвески позволяет использовать линейно-чирпированную волоконную брэгговскую решетку (волоконную брэгговскую решетку с линейным чирпом). Благодаря наличию указанной решетки появляется возможность сжатия импульсов до их первоначальной длительности перед чирпированием и более. Компрессор выполнен в виде объемной брэгговской решетки, что в значительной степени способствует обеспечению компактности лазерной головки.

В описанном лазере используется технология торцевой накачки, отличающаяся тем, что световой пучок накачки доставляется по волокну доставки светового пучка накачки, которое также вытянуто в свободном пространстве и заходит в оконечный терминал волоконного усилителя в направлении, противоположном направлению распространения сигнального светового пучка. Эта схема реализуется с помощью отражателя, установленного на лазерной головке и выполненного с возможностью перенаправления светового пучка накачки в направлении, противоположном направлению распространения. Вместе с тем отражатель снабжен отверстием, позволяющим усиленному сигнальному световому пучку проходить дальше по своей траектории в направлении распространения в пределах лазерной головки без каких-либо потерь.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и прочие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными на основе последующего конкретного описания, рассмотренного в привязке к чертежам, где:

На фиг. 1 показан общий вид описанной высокоэнергетической лазерной системы, генерирующей сверхкороткие импульсы;

На фиг. 2 показано схематическое изображение оптической схемы источника свет системы по фиг. 1;

На фиг. 3 показан вид в ортогональной проекции расширителя импульсов по фиг. 2;

На фиг. 4 показан вид в разрезе расширителя импульсов по фиг. 3

На фиг. 5 показан идеализированный спектр ВБР в отраженном свете;

На фиг. 6 показана компьютерная модель, иллюстрирующая работу описанного расширителя импульсов по фиг. 3 и 4;

На фиг. 7 показан вид в разрезе лазерной головки лазерной системы по фиг. 1;

На фиг. 8 представлено увеличенное схематическое изображение области лазерной головки, обозначенной литерой А на фиг. 7;

На фиг. 9 показан вид в разрезе области А, представленной на фиг. 7;

На фиг. 10 показан вид сбоку области А, представленной на фиг. 7; а

На фиг. 11 представлено схематическое изображение модифицированной области А по фиг. 7.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Ниже приведены подробные примеры предпочтительных вариантов осуществления заявленного изобретения. Везде, где это возможно, идентичные или аналогичные элементы и стадии, описанные в настоящем документе и представленные на чертежах, обозначены одинаковыми номерами позиций. Чертежи представлены в упрощенном виде и не приведены к масштабу.

На фиг. 1 показан описываемый волоконный импульсный лазер (10), содержащий пульт (12) управления, в корпус которого заключен, помимо прочего, источник сверхкоротких импульсов линейно-поляризованного (ЛП) светового пучка с одной продольной модой (ОМ). Лазер (10) также характеризуется наличием лазерной головки с оптикой, корректирующей пучок; и волоконного усилителя, вытянутого между пультом (12) управления и лазерной головкой (14) и заключенного в гибкий кабель (16). Использование волоконного усилителя, в котором предусмотрено только легированное светонесущее волокно без традиционного пассивного волокна доставки, уменьшает рабочую длину волокна в сравнении со многими известными системами. Это важно потому, что коротковолновое оптоволокно характеризуется более высоким порогом возникновения нелинейных эффектов.

На фиг. 2 показано схематическое изображение оптической архитектуры волоконного лазера (10), который, что типично для волоконных лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы, выполнен по схеме MOPFA (задающий генератор - волоконный усилитель мощности). Задающий генератор (18) может быть сконфигурирован или как волоконный лазер с активной синхронизацией мод, или - в предпочтительном варианте - как волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод, снабженный зеркалом с полупроводниковым поглотителем (SESAM); при этом он располагается в корпусе пульта (12) управления и предназначен для выдачи ОМ ЛП лазерных импульсов субнаносекундной длительности. Для усиления указанных импульсов в корпусе пульта (12) управления предусмотрен один или несколько волоконных предусилителей (24). Основное усиление осуществляется волоконным усилителем (26), чья выходная мощность ограничена только возникновением оптических нелинейностей.

Для отбора большей энергии сверхкороткими импульсами в корпусе пульта (12) управления предусмотрен расширитель (22) импульсов, расположенный между затравочным лазером (16) и предусилителем (24), и который подробнее описан ниже. В заключение импульсы сжимаются оптическим компрессором (42), расположенным в лазерной головке (14) (см. фиг. 1) и предназначенным для сжатия растянутых импульсов до исходной пикосекундной или фемтосекундной длительности, что будет подробнее описано ниже.

Как показано на фиг. 3 и 4, перестраиваемый расширитель (22) импульсов, используемый в конфигурации по фиг. 1 и 2, содержит корпус, в который заключена механическая упругая подвеска (28), удерживающая линейно-чирпированную волоконную брэгговскую решетку (30) (ВБР). Пьезоэлектрический привод (32) размещен в гнезде (44), которое предусмотрено в подвеске (28); при этом он установлен в таком положении, чтобы оптимизировать растяжение ВБР (30) относительно оси поворота. Такая конфигурация способствует существенному изменению длины ВБР во всем диапазоне работы пьезоэлектрического привода и позволяет использовать линейно-чирпированную ВБР для перестройки длительности импульса. Таким способом длительность импульса может быть перестроена со 100 фсек до 100 пс; при этом время переключения составит всего несколько микросекунд.: Использование линейно-чирпированной решетки ВБР обеспечивает сжатие импульсов до Их первоначальной и даже более короткой длительности.

Известно, что форма сжатого импульса влияет на его длительность. Также известно, что нелинейности волокна, такие как фазовая самомодуляция (ФСМ), препятствуют полному сжатию спектрально-ограниченного импульса при его сжатии с компенсацией линейной дисперсии. Импульсы параболической формы, имитирующей уширение спектра из-за ФСМ, могут сжиматься даже в присутствии ФСМ. Таким образом, для достижения спектрального ограничения в присутствии существенной нелинейности необходимы импульсы требуемой параболической формы. Импульсы такой формы могут генерироваться ВБР (30) с соответствующим профилем аподизации. Один из предложенных способов предусматривает использование пространственного модулятора света в конфигурациях, показанных на фиг. 1 и 2, который характеризуется большими размерами. Предложенный в настоящем Документе способ предусматривает использование множества диодных лазеров, работающих на волнах разной длины и накачивающих методом боковой накачки соответствующие участки решетки ВБР (30), легированной соответствующими элементами, как это показано на фиг. 5. Можно также использовать и один диод в сочетании с множеством микроэлектромеханических систем или оптических микросистем (MEMS) в конфигурациях, показанных на фиг. 1 и 2.

Как показано на фиг. 3 и 4, при подаче заряда на пьезоэлектрический привод (32) последний растягивается, упираясь в границы гнезда (44). В результате подвеска (28) изгибается относительно оси (46), показанной на фиг. 46, увеличивая длину ВБР (30). Наличие дополнительного гнезда (44) с еще одним пьезоэлектрическим приводом, который срабатывает одновременно с тем, который описан выше, позволяет подвеске (28) изгибаться дугой, что еще больше увеличивает длину ВБР (30). Это наглядно подтверждается моделью, проиллюстрированной на фиг. 6.

На верхней части подвески (28) предусмотрен желобок (34), в котором располагается ВБР (30). Разнесенные участки ВБР (30) фиксируются в соответствующих заданных точках любым приемлемым способом. Подвеска (28), предназначенная, главным образом, для калибровки, обеспечивает опору для термоэлектрического элемента (36), которым управляет датчик (40) температуры. Подвеска (28) крепится к корпусу с помощью крепежных деталей (38).

В предпочтительном варианте подвеска (28) должна быть выполнена из алюминия, но может быть использован и иной гибкий материал. В некоторых сферах применения необходима быстрая перестройка длительности импульса. Примером может служить использование субпикосекундных импульсов во время выполнения одной технологической операции и пикоеекундных импульсов во время выполнения последующей операции с быстрым переходом с одного режима на другой. За счет правильного выбора материала подвески (28) можно обеспечить ее растяжение с периодичностью, достигающей высокого килогерцового уровня.

Как показано на фиг. 7, портативная лазерная головка (14) в конфигурации по фиг. 1 и 2 согласно настоящему изобретению оснащена корпусом, на переднем конце/входной стороне которого предусмотрен обжимной соединитель (52) для фиксации соответствующих оконечных участков волоконного усилителя и волокна доставки светового пучка накачки, который установлен в радиаторе (51). Во избежание высокой плотности энергии усиленного сигнального светового пучка со значениями пиковой мощности, достигающими мегаваттного уровня, к выходным торцам волокна подключен терминальный блок (54), выполненный на основе кремнезема. Сферическое зеркало (56), подробно описанное ниже, предназначено для отражения светового пучка накачки назад в направлении, противоположном направлению распространения, к выходному концу волоконного усилителя. Зеркало (56)содержит центральное отверстие, размеры которого позволяют пройти сквозь него усиленному сигнальному световому пучку без каких-либо потерь. Усиленный сигнальный световой пучок распространяется дальше через систему (58) линз и изолятор (60),. предназначенный для минимизации распространения отраженного назад сигнального светового пучка в направлении усилительных каскадов.

Далее по потоку зеркало (62) перенаправляет падающий на него сигнальный световой пучок на расщепитель (66) пучка, который, в свою очередь, излучает сигнальный световой пучок в направлении компрессора (42). Компрессор (42) сконфигурирован в виде объемной брэгговской решетки. И, наконец, сжатые импульсы сигнального светового пучка последовательно падают на зеркала (68) и (70) перед тем как выйти из лазерной головки (14) через ее выходное отверстие.

Импульсы сигнального светового пучка линейно поляризованы. Для обеспечения выхода пучка из лазерной головки (14) и, в частности, его прохождения через расщепитель (66) предусмотрена система поляризации, изменяющая полярность сигнального светового пучка, распространяющегося в прямом направлении. Система поляризации; специально рассчитанная на длину волны 1030 нм, содержит полуволновую пластину (64) и четвертьволновую пластину (61), которые предназначены для изменения полярности сжатого сигнального светового пучка на знак, противоположный полярности сигнального светового пучка с ЛЧМ. В альтернативном варианте вместо волновых пластин в проиллюстрированной схеме может быть реализован циркулятор на эффекте Фарадея, который в действительности предпочтителен для всех волн иной длины.

На фиг. 8 и 9 показаны выходные концы волоконного усилителя (72) и волокна или волокон (74) доставки светового пучка накачки. Волоконный усилитель (72) может состоять из двух сращенных друг с другом частей, но в предпочтительном варианте он представляет собой непрерывное тело без каких-либо сращений. Наружный диаметр всех участков волоконного усилителя может характеризоваться одинаковыми размерами; или же указанный волоконный усилитель может содержать относительно протяженный участок вверх по потоку и относительно большой участок вниз по потоку со сходящей на конус частью, соединяющей между собой оба указанных участка. Многомодовая сердцевина усилителя (72) содержит постоянный по размеру входной участок (76), конусный участок (78) и еще один постоянный по размеру участок (80) усиления, поперечное сечение которого превышает поперечное сечение входного участка (76). Входной участок (76) ММ-сердцевины выполнен с возможностью поддержки основной моды с таким же диаметром модового поля, что и одиночная мода сигнального светового пучка, поступающего с каскадов затравки и предварительного усиления. В результате после поступления сигнального светового ОМ-пучка на входной участок (76) ММ-сердцевины не происходит возбуждения мод высшего порядка. Конусный участок адиабатически расширяет сигнальный световой пучок в направлении области усиления сердцевины таким образом, что основная мода постепенно расширяется, однако без возбуждения мод высшего порядка.

Тогда как основные более протяженные участки волоконного усилителя (72) и волокна (74) доставки светового пучка накачки проходят по кабелю (16), их соответствующие оконечные участки заведены в лазерную головку (14), где они опираются на радиатор (51) (фиг. 7). Концы усилителя и волокна доставки светового пучка накачки вплавлены В терминальный блок (54). Во время работы световой пучок накачки испускается с оконечного участка (82), проходит в направлении распространения через блок (54) и в итоге отражается от зеркала (56). Зеркало (56)имеет отражающую поверхность, искривленную таким образом, чтобы перенаправленный световой пучок накачки наводился в сторону, противоположную направлению распространения, проходил через этот же блок (54) и поступал на конец волоконного усилителя (72). Эффективное поглощение отраженного светового пучка накачки на относительно большом участке усиления волоконного усилителя (72) позволяет, при необходимости, выполнить указанный волоконный усилитель (72) общей длиной около 30 см и избежать возникновения нелинейностей, даже при пиковой мощности высокого уровня. Затем усиленный сигнальный световой пучок проходит через терминальный блок (54) и отверстие (84) в зеркале (56)(или, в альтернативном варианте, через зеркало (56), в котором не предусмотрено отверстие), после чего направляется дальше по лазерной головке (14), как это описано в привязке к фиг. 7.

Сердцевина волокна легирована по всему своему поперечному сечению одним или несколькими редкоземельными элементами. В предпочтительном варианте, с учетом тенденций развития промышленности, в качестве легирующей добавки часто выбирается иттербий (Yb³⁺). Числовая апертура (NA) сердцевины волокна на участке (80) усиления может составлять 0,1 и выше. Кроме того, общая длина сердцевины структурирована таким образом, что около 0,65² ее центральной области перекрывается основной модой, вследствие чего не перекрытой основной модой остается лишь небольшая периферийная область (26) - зона, где могут быть усилены моды высшего порядка и/или самопроизвольное излучение.

Однако усиление в этой периферийной области в значительной мере подавлено за счет такой конфигурации источника накачки, что числовая апертура излучаемого им светового пучка в максимальной степени соответствует числовой апертуре участка (80) сердцевины, а в предпочтительном варианте составляет еще меньшее значение. В результате основная мода будет заключена в световой пучок накачки, размер которого, таким образом, будет, по меньшей мере, равен размеру основной моды по всей длине ММ-сердцевины усилителя (72). Угол раскрытия конусного участка (78) сердцевины выбирается с возможностью регулирования таким образом, чтобы обеспечить отвод, по меньшей мере, части не поглощенного светового излучения накачки до его попадания на участок (76) сердцевины.

Как показано на фиг. 10, в описанной схеме обратной накачки область вплавления, расположенная между волоконным усилителем (72) и расширителем блока (54), обычно подвергается воздействию еще более высоких температур, чем остальные участки усилителя, поскольку световой пучок накачки поступает на концевой участок активного волокна усилителя (72) именно через эту область. Кроме того, оконечный участок (90) волоконного усилителя (72) не покоится на радиаторе (51) (см. фиг. 7), что наряду с воздействием повышенных температур делает связь между сплавленными поверхностями чрезвычайно чувствительной к внешним воздействиям.

Как показано на фиг. 11, для укрепления связи между концевым участком (90) волокна и блоком (54) между указанным блоком (54) и концевым участком (90) волокна вставлено пассивное ММ-волокно (92), диаметр которого совпадает с диаметром участка (80) усиления сердцевины волоконного усилителя (72). Волокно (74) доставки светового пучка накачки по-прежнему соприкасается с блоком (54). Отраженный световой пучок накачки захватывается пассивным волокном (92) и поступает на участок (80) сердцевины волоконного усилителя (72).

При определенных обстоятельствах в ММ-сердцевине усилителя (72) желательно предусмотреть участок приема светового пучка накачки большей площади. Этого можно добиться, снабдив усилитель (72) покрытием (86) с кольцом (94), легированным фтором. Диаметр сердцевины пассивного волокна (92), в общем, совпадает с диаметром кольца (94). Поскольку пассивное волокно (92) не поглощает излучение, его соединение с блоком (54) практически никогда не нарушается.

Описанный в настоящем документе волоконный Yb-лазер (10) может работать со средней мощностью, варьирующейся в пределах от 1,5 Вт до более 30 Вт, и пиковой мощностью свыше 5 МВт. Энергия импульса может превышать 100 мкДж, а также составлять всего 5 мкДж. Качество пучка варьируется в пределах 1,2-1,5. Длительность импульса лежит в диапазоне от 100 фсек до 100 пс, а частота следования импульсов может достигать 3000 кГц и более.

Хотя настоящее изобретение раскрыто на конкретном примере его осуществления, специалистам в данной области техники очевидно, что в описанные выше варианты реализации заявленного изобретения могут быть внесены многочисленные изменения и/или дополнения без отступления от сущности и объема приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы, содержит волоконный усилитель, вытянутый в свободном пространстве и характеризующийся наличием многомодовой (ММ) светонесущей легированной сердцевины, которая направляет импульсы субнаносекундной длительности одномодового (ОМ) линейно-поляризованного сигнального светового пучка в направлении распространения. Также содержит источник накачки, снабженный волокном доставки светового пучка накачки, которое направляет световой пучок накачки в направлении распространения и вытянуто вместе с волоконным усилителем в свободном пространстве, и портативную лазерную головку, содержащую оконечные участки волоконного усилителя и волокна доставки светового пучка накачки, соответственно. Кроме того, лазер содержит гибкий кабель, в который заключен волоконный усилитель вместе с волокном доставки светового пучка накачки и который вытянут в свободном пространстве. При этом портативная лазерная головка выполнена с возможностью: перенаправления светового пучка накачки в направлении, противоположном направлению распространения, таким образом, чтобы перенаправленный световой пучок накачки попадал на выходной конец ММ-сердцевины; и выдачи усиленного сигнального светового пучка в направлении распространения практически в одномодовом режиме на основной моде. Линейно чирпированная волоконная брэгговская решетка (ВБР) расположена перед волоконным усилителем и соединена с ним, при этом ВБР опирается на перестраиваемый расширитель импульсов, который предназначен для того, чтобы вызывать изменения длины ВБР с целью регулируемой перестройки длительности импульса сигнального светового пучка в требуемом диапазоне длительности импульса. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания высокоэнергетичного компактного волоконного лазера. 19 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Волоконный лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы, содержащий следующие элементы:

волоконный усилитель, вытянутый в свободном пространстве и характеризующийся наличием многомодовой (ММ) светонесущей легированной сердцевины, которая направляет импульсы субнаносекундной длительности одномодового (ОМ) линейно-поляризованного сигнального светового пучка в направлении распространения;

источник накачки, снабженный волокном доставки светового пучка накачки, которое направляет световой пучок накачки в направлении распространения и вытянуто вместе с волоконным усилителем в свободном пространстве;

портативную лазерную головку, содержащую оконечные участки волоконного усилителя и волокна доставки светового пучка накачки, соответственно; и

гибкий кабель, в который заключен волоконный усилитель вместе с волокном доставки светового пучка накачки и который вытянут в свободном пространстве,

при этом портативная лазерная головка выполнена с возможностью:

перенаправления светового пучка накачки в направлении, противоположном направлению распространения, таким образом, чтобы перенаправленный световой пучок накачки попадал на выходной конец ММ-сердцевины; и

выдачи усиленного сигнального светового пучка в направлении распространения практически в одномодовом режиме на основной моде;

линейно-чирпированную волоконную брэгговскую решетку (ВБР), расположенную перед волоконным усилителем и соединенную с ним; и

перестраиваемый расширитель импульсов, на который опирается линейно- чирпированная ВБР и который предназначен для того, чтобы вызывать изменения длины ВБР с целью регулируемой перестройки длительности импульса сигнального светового пучка в требуемом диапазоне длительности импульса.

2. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 1, в котором перестраиваемый расширитель импульсов содержит упругую подвеску, на которую опирается ВБР; и пьезоэлектрический привод, расположенный в указанной упругой подвеске и совершающий ход для регулируемого изгибания дугой упругой подвески относительно оси поворота в требуемом диапазоне длительности импульса от около 100 фс до около 100 пс.

3. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 1, дополнительно содержащий следующие элементы:

пульт управления, отстоящий от портативной лазерной головки и заключающий в себя ВБР и перестраиваемый расширитель импульсов; и

затравочный лазер, установленный в корпусе пульта управления и характеризующийся наличием выходного волокна, сращенного с входным концом ВБР; при этом указанный затравочный лазер выполнен с возможностью излучения субнаносекундных импульсов одномодового (ОМ) линейно-поляризованного сигнального светового пучка в направлении распространения.

4. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 2, в котором подвеска содержит по меньшей мере одно первое U-образное гнездо, в котором располагается пьезоэлектрический привод; при этом длина указанного гнезда меньше длины пьезоэлектрического привода в растянутом состоянии; и поэтому когда пьезоэлектрический привод упирается в границы гнезда после подачи на него заряда, упругая подвеска изгибается дугой относительно оси поворота, увеличивая длину линейно-чирпированной ВБР по длине хода пьезоэлектрического привода.

5. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 4, в котором подвеска содержит дополнительное U-образное гнездо, которое расположено на одной линии с первым гнездом и в котором располагается дополнительный пьезоэлектрический привод; при этом указанные пьезоэлектрические приводы срабатывают, по меньшей мере, одновременно, действуя в противоположных направлениях.

6. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 4, в котором подвеска дополнительно содержит желобок, в котором располагается линейно-чирпированная ВБР, и две разнесенные крепежные детали, располагающиеся по бокам указанного желобка и соединенные с соответствующими концами линейно-чирпированной ВБР в соответствующих точках фиксации.

7. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 4, в котором подвеска выполнена с возможностью смещения на частоте, достигающей килогерцового уровня, и на расстояние до 50 мм при подаче заряда.

8. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 3, в котором затравочный лазер представляет собой лазер с пассивной синхронизацией мод или лазер с активной синхронизацией мод.

9. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 3, в котором затравочный лазер выполнен с возможностью излучения сигнальных световых импульсов с длиной волны около 1064 нм и частотой следования импульсов, достигающей 3000 кГц и более; при этом каждый импульс характеризуется длительностью, лежащей в диапазоне от 100 фсек до 100 пс.

10. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 3, дополнительно содержащий выходное пассивное ОМ-волокно, доставляющее субнаносекундные импульсы одномодового светового пучка на участок сердцевины волоконного усилителя, расположенный вверх по потоку; при этом указанное выходное пассивное ОМ-волокно и волоконный усилитель характеризуются наличием участков сердцевины, соединенных друг с другом и имеющих диаметры модового поля, совпадающие друг с другом, вследствие чего после поступления сигнального светового пучка в ММ-сердцевину волоконного усилителя в указанной сердцевине волоконного усилителя возбуждается только основная мода.

11. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 3, дополнительно содержащий по меньшей мере один волоконный предусилитель, расположенный в корпусе пульта управления за расширителем импульсов.

12. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 1, в котором портативная лазерная головка содержит следующие элементы:

отражающий элемент, отстоящий на определенное расстояние от выходных участков волоконного усилителя и волокна доставки светового пучка накачки;

терминальный блок, выполненный на основе кремнезема и расположенный между выходными участками, соответственно, волоконного усилителя и волокна доставки светового пучка накачки и отражающим элементом.

13. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 12, в котором выходные концы волоконного усилителя и волокна доставки светового пучка накачки, а также отражающего элемента вплавлены непосредственно во входной торец терминального блока, выполненного на основе кремнезема; при этом отражающий элемент выполнен с возможностью отражения светового пучка накачки обратно в ММ-сердцевину волоконного усилителя в направлении, противоположном направлению распространения, и характеризуется наличием центрального отверстия, размеры которого позволяют сигнальному световому пучку беспрепятственно проходить сквозь это отверстие в направлении распространения.

14. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 12, в котором портативная лазерная головка дополнительно заключает в себе следующие элементы:

радиатор, поддерживающий выходные концы волоконного усилителя и волокон доставки светового пучка накачки;

выходной участок волокна доставки светового пучка накачки, вплавленный непосредственно во входной торец терминального блока; и

оконечное пассивное волокно, один конец которого сращен с выходным участком волоконного усилителя без каких-либо потерь, а противоположный конец вплавлен во входной торец терминального блока; при этом указанное оконечное пассивное волокно характеризуется такой длиной, чтобы конец выходного участка волоконного усилителя полностью покоился на радиаторе.

15. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 12, в котором лазерная головка дополнительно содержит изолятор, расположенный вниз по потоку от отражающего элемента и выполненный с возможностью предотвращения распространения обратно отраженного сигнального светового пучка в направлении, противоположном направлению распространения.

16. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 1, дополнительно содержащий объемную брэгговскую решетку, заключенную в лазерную головку и выполненную с возможностью сжатия импульсов сигнального светового пучка, чирпированного вверх по потоку от волоконного усилителя.

17. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 16, дополнительно содержащий циркулятор с четвертьволновой пластиной и поляризатор для изменения поляризации усиленных чирп-импульсов сигнального светового пучка.

18. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 1, в котором ММ-сердцевина волоконного усилителя характеризуется наличием входного участка волокна и стержневого выходного участка волокна.

19. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 18, в котором входной участок ММ-сердцевины волокна содержит постоянный по размеру входной участок, переходящий в конусный участок, преобразующий моду, который переходит в стержневой выходной участок волокна, диаметр которого в поперечном сечении превышает диаметр указанного входного участка.

20. Сверхкороткоимпульсный волоконный лазер по п. 3, дополнительно содержащий множество диодных лазеров, установленных в корпусе пульта управления и селективно испускающих излучение с волнами разной длины для боковой накачки линейно-чирпированной решетки ВБР, которая легирована ионами одного или нескольких редкоземельных элементов.