АКТИВНЫЙ ИТТЕРБИЕВЫЙ СВЕТОВОД-КОНУС С ВОЛОКОННЫМ ВВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ НАКАЧКИ И ПОЛНОСТЬЮ ВОЛОКОННАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК G02F1/01 G02B6/02 H01S3/67 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к волоконным световодам, в частности, активным волоконным световодам, с полностью волоконным вводом излучения накачки в первую оболочку, способам их изготовления, а также монолитным (не требующим юстировки) оптическим усилителям на основе таких световодов с большим порогом нелинейных эффектов.

Изобретение может быть использовано для реализации полностью волоконных лазеров импульсного или непрерывного излучения с высокой энергией в импульсе и/или средней мощностью для целей микрообработки материалов, приборостроения, научных исследований и т.п.

Предшествующий уровень техники

Одним из наиболее перспективных и в то же время новых направлений промышленности является лазерная микрообработка материалов, где в качестве источника излучения используются простые в реализации импульсные иттербиевые волоконные лазеры ультракороткой длительности, генерирующие излучение в фундаментальной моде. Лазеры с длительностью импульсов в десятки и сотни наносекунд наиболее просты в изготовлении и популярны вследствие своей невысокой стоимости, а так же высокой скорости обработки материалов. В то же время за счет сокращения длительности импульсов до десятков пикосекунд и сотен фемтосекунд возможно повысить качество микрообработки материалов до уровня, когда не требуется дальнейшая постобработка изделий. Во всех случаях максимально достижимая энергия в импульсе увеличивается с увеличением диаметра световедущей сердцевины (за счет увеличения площади фундаментальной моды, приводящей к увеличению порога нелинейных эффектов; за счет роста накопленной энергии в усилителе).

В настоящее время существуют эффективные конструкции активных иттербиевых световодов с повышенным порогом нелинейных эффектов за счет увеличенного диаметра сердцевины, имеющие различные механизмы подавления высших мод (см., например, ЕР 1420276 A1, US 7403689 В2, US 8433168 В2, CN 105572793 А), использование которых позволяют получать импульсы необходимой длительности и энергии с дифракционно-ограниченным качеством пучка.

Наиболее простой в реализации и последующем использовании конструкцией являются так называемые световоды-конусы (US 6324326 В1), у которых диаметр активной сердцевины и пассивных отражающих оболочек растет с увеличением длины световода. Типичным значением диаметра сердцевины на входе световода-конуса является 3-20 мкм, диаметр выходной сердцевины может достигать 100 мкм (Valery Filippov, Andrei Vorotynskii, Teppo Noronen, Regina Gumenyuk, Yuri Chamorovskii, and Konstantin Golant, "Picosecond MOPA with ytterbium doped tapered double clad fiber," in Proc. Of SPIE Vol. 10083, 100831H-1, 2017). Как правило на входе световод-конус поддерживает только одну фундаментальную моду на рабочей длине волны, тогда как выход является сильно многомодовым. Однако, при обеспечении достаточно плавного увеличения диаметра сердцевины по длине световода, возможно добиться распространения фундаментальной моды от одномодового конца до многомодового конца без потерь энергии на возбуждение высших мод.

В настоящий момент было предложено несколько способов создания световодов-конусов. Условно их можно разделить на две группы. К первой группе относятся способы, в которых изменение диаметров сердцевины и оболочек происходит в процессе вытяжки световода из стеклянной заготовки. Например, в [Vladimir A. Bogatyrev, Mikhail М. Bubnov, Е.М. Dianov, A.S. Kurkov, Pavel V. Mamyshev, A.M. Prokhorov, Sergey L. Semenov, Alexej A. Sysoliatin, Stanislav V. Chernikov, A.N. , G.G. Devyatykh, and S.I. Miroshnichenko, "A Single-Mode Fiber with Chromatic Dispersion Varying Along the Length," Journal of Lightwave Technology, 9(5), 1991], а в последствие в US 8433168 B2 было предложено варьировать либо скорость подачи заготовки в печь вытяжной башни, в которой происходит расплавление одного из концов заготовки, либо скорость вытяжки световода, либо одновременно оба этих параметра. В работе [V.A. Bogatyrjov and A.A. Sysoliatin, "An efficient method to produce fibers with outer diameter varying along the length," in Proc. Of SPIE Vol. 4204, 2001] было предложено варьировать поток аргона в нагревательной печи в процессе вытяжки световода для обеспечения периодической вариации диаметра вытягиваемого световода. Ко второй группе относятся методы, в которых изменяется диаметры сердцевины и оболочек уже вытянутого световода. В таких методах для создания световода-конуса используются специальные установки, в которых концы световода, имеющего постоянные диаметры по длине (регулярного световода), закрепляются на двух моторизированных подвижках, одна из которых неподвижна, а другая - отдаляется от первой с определенной скоростью, а между подвижек располагается кислородно-пропановая горелка или другой источник тепла, которая также закреплена на подвижке и может совершать возвратно поступательные движения по длине световода (US 5339374 А).

Наибольший порог нелинейных эффектов в световодах-конусах удается достигнуть при обеспечении высокой скорости поглощения накачки из оболочки, что позволяет сократить используемую длину конусного световода. Так был продемонстрирован иттербиевый световод-конус с поддержкой поляризации, коэффициентом усиления более 40 дБ и пиковой мощности непосредственно на выходе световода, превышающей МВт (Konstantin К. Bobkov, Maxim Yu. Koptev, Andrei E. Levchenko, Svetlana S. Aleshkina, Sergey L. Semenov, Alexander N. Denisov, Mikhail M. Bubnov, Denis S. Lipatov, Alexander Yu. Laptev, Alexey N. Guryanov, Elena A. Anashkina, Sergey V. Muravyev, Alexey V. Andrianov, Arkady V. Kim, Mikhail E. Likhachev, "MW peak power diffraction limited monolithic Yb-doped tapered fiber amplifier," in Proc. Of SPIE Vol. 10083, 1008309, 2017). С целью дополнительного увеличения порога нелинейных эффектов, излучение накачки вводилось в первую оболочку навстречу усиливаемому сигналу через многомодовый конец световода-конуса с использованием системы линз и зеркал, что позволило значительно поднять порог вынужденного комбинационного рассеяния, но снизило надежность системы и увеличило ее стоимость и размеры.

В настоящий момент известен ряд конструкций, так называемых, волоконных объединителей излучения сигнала и накачки, которые можно разделить на два типа. В объединителях первого типа пассивный световод с излучением сигнала и собранные вокруг него волоконные жилы с излучением накачки подвариваются торец-в-торец к световоду, в котором излучение объединяется - сигнал попадает в сердцевину, а накачка - в первую отражающую оболочку (см., например, US 7272956 В1), затем последний подваривается к активному световоду. Вследствие большого диаметра сердцевины на выходе световода-конуса (как правило 40-100 мкм), данный световод несовместим ни с одним полностью волоконным объединителем накачки и сигнала (одномодовые световоды с таким диаметром сердцевины становятся слишком чувствительными к изгибу и не могут быть изогнуты). Кроме того дополнительная длина пассивного световода (используемого в объединителе накачки и сигнала) на выходе усилительной системы при водит к снижению порога нелинейных эффектов. В объединителях второго типа излучение накачки вводится сбоку благодаря прямому контакту боковых поверхностей световода с сигналом и жилы с накачкой, благодаря чему излучение накачки перетекает в первую оболочку световода, по сердцевине которого распространяется сигнал (см., например, US 7277612 В2). Как правило, в предлагаемых методах в накачных жилах создается двойной конический переход (от толстой части к тонкой и обратно), имеющий малую длину - порядка одного десятка мм, а затем жила обматывается вокруг сигнального световода. Такой способ ввода излучения накачки позволяет достигать значения эффективности ввода (отношение мощности накачки, введенной в сигнальный световод, к мощности накачки, введенной накачную жилу) до 98% и использовать данную конструкцию в мощных схемах со встречным вводом излучения накачки. С использованием данной конструкции была реализована схема эрбиевого усилителя, в которой жилы с излучением накачки были приварены непосредственно к активному эрбиевому световоду (Kazi S. Abedin, John М. Fini, Taunay F. Thierry, Benyuan Zhu, Man F. Yan, Lalit Bansal, Frank V. Dimarcello, Eric M. Monberg, and David J. DiGiovanni, "Seven-core erbium-doped double-clad fiber amplifier pumped simultaneously by side-coupled multimode fiber," Opt. Letters, 39(4), 2014). Однако на данный момент не были продемонстрированы активные световоды-конусы с боковым полностью волоконным вводом излучения накачки с многомодовой стороны.

Таким образом, в настоящее время не раскрыты активные световоды-конусы с полностью волоконным вводом излучения накачки в первую оболочку, с использованием которых можно создать полностью волоконную систему, имеющую высокий порог нелинейных эффектов.

Краткое изложение существа изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания активного волоконного световода-конуса, позволяющего достичь высокий порог нелинейных эффектов при усилении оптического излучения, легированного ионами редкоземельных элементов (например, Er³⁺, Yb³⁺, Tm³⁺, Но³⁺ и т.п.), и имеющего полностью волоконный ввод излучения накачки в первую отражающую оболочку навстречу усиливаемому сигналу.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа изготовления волоконного световода-конуса с большим порогом нелинейных эффектов для усиления оптического излучения в спектральной области вблизи 1 мкм, легированного оксидом иттербия, и имеющего полностью волоконный ввод излучения накачки навстречу усиливаемому сигналу.

В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания полностью волоконного усилителя коротких импульсов на основе указанного волоконного световода.

Поставленная задача решена путем создания волоконного световода, с увеличивающимися по длине диаметрами сердцевины, первой отражающей оболочки и второй отражающей оболочки. Сердцевина состоит из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности для формирования требуемого профиля показателя преломления и/или повышения растворимости ионов редкоземельных элементов в кварцевом стекле. Первая отражающая оболочка состоит из кварцевого стекла, имеющего более низкий показатель преломления, чем показатель преломления сердцевины для обеспечения распространения излучения сигнала по сердцевине световода. Оболочка может содержать дополнительные области из легированного кварцевого стекла (например, легированное оксидом бора), необходимые, например, для создания двулучепреломления в сердцевине световода и придания ей способности сохранять поляризацию. Оболочка может иметь поперечное сечение по форме отличное от идеального круга, с целью увеличения величины поглощения излучения накачки из оболочки.

Световод имеет вторую отражающую оболочку, состоящую из легированного кварцевого стекла с пониженным показателем преломления и дополнительно снаружи покрытую защитным полимерным покрытием, либо из полимерного покрытия с показателем преломления ниже уровня нелегированного кварцевого стекла, что обеспечивает распространение излучения накачки по первой оболочке за счет эффекта полного внутреннего отражения.

Заготовка волоконного световода может быть создана с помощью стандартных методов, например метода модифицированного осаждения из газовой фазы (Modified Chemical Vapor Deposition - MCVD), все легирующие добавки осаждаются из газовой фазы (например с использованием SiCl₄, РOСl₃, АlСl₃, Yb(thd)₃), либо часть легирующих добавок вводится путем пропитки раствором пористого слоя.

Конусный световод может быть изготовлен непосредственно в процессе вытяжки (за счет вариации параметров или условий вытяжки), либо с использованием уже вытянутого световода с постоянным диаметром и специального оборудования для изготовления конусных световодов.

Поставленная задача решена также путем создания способа изготовления полностью волоконного ввода излучения накачки в первую отражающую оболочку световода-конуса. Указанный способ содержит этапы,

на которых подготавливают активный световод-конус либо удаляя защитное покрытие, в случае, если световод-конус имеет только одну стеклянную оболочку, либо удаляя защитное покрытие и вторую отражающую оболочку, стравливая в плавиковой кислоте или стачивая механическими способами,

затем подготавливают одну или несколько кварцевых жил, максимальное количество жил (N) ограничено диаметром световода-конуса (D_s) и диаметром накачной жилы (D_p) как N<π(D_p+D_s)/D_p.

после чего, совмещая боковые поверхности подготовленного световода-конуса и накачной жилы, конструкция сплавляется за счет нагрева в плазме электрической дуги, либо лазерного излучения (например, СО₂ лазера), либо с использованием высокотеппературной нагревательной печи до температуры размягчения кварцевого стекла.

Поставленная задача решена также путем создания монолитного усилителя, содержащего источник излучения накачки, которая вводится в первую оболочку активного световода через приплавленные кварцевые жилы, сигнал в который вводится через тонкий конец световода конуса и выводится через толстый конец.

Технический результат заключается в создании активного иттербиевого световода-конуса с высоким порогом нелинейных эффектов, большим коэффициентом усиления и полностью волоконным вводом излучения накачки.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает распределение диаметра сердцевины активного световода-конуса для четырех вариантов исполнения;

Фиг. 2 изображает конструкцию волоконного ввода излучения накачки в первую оболочку световода-конуса;

Фиг. 3 изображает схему усилителя чирпированных импульсов на основе активного световода-конуса.

Описание вариантов осуществления изобретения

Волоконный световод для усиления оптического излучения, согласно изобретению, содержит сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности для формирования требуемого профиля показателя преломления и/или повышения растворимости ионов редкоземельных элементов в кварцевом стекле Диаметр сердцевины увеличивается по длине световода.

Волоконный световод содержит также, по меньшей мере, одну оболочку из кварцевого стекла, имеющего показатель преломления меньший показателя преломления сердцевины для обеспечения распространения излучения сигнала по сердцевине, и внешнее покрытие, имеющее показатель преломления меньший показателя преломления внешней стеклянной оболочки, обеспечивающее распространение излучения накачки по внешней стеклянной оболочке.

На Фиг. 1 представлено характерное распределение диаметра сердцевины световода-конуса для четырех вариантов исполнения. Вариант (а) соответствует световоду-конусу, фактически, состоящему из трех частей: сначала диаметр постоянен, затем линейно уменьшается, затем опять постоянен. Вариант (б) соответствует случаю, когда диаметр сердцевины сначала неизменен, затем уменьшается по линейному закону. Вариант (в) соответствует случаю, когда диаметр сердцевины уменьшается по линейному закону. Вариант (г) соответствует случаю, когда диаметр сердцевины плавно уменьшается по всей длине световода-конуса. Во всех случаях диаметры кварцевых оболочек изменяются аналогично диаметрам сердцевины.

Заготовка для заявленного волоконного световода для усиления оптического излучения может быть реализована с помощью стандартных методов, например, метода модифицированного осаждения из газовой фазы (Modified Chemical Vapor Deposition - MCVD), все легирующие добавки осаждаются из газовой фазы (например, с использованием SiCl₄, POCl₃, AlCl₃, Yb(thd)₃), либо часть легирующих добавок вводится путем пропитки раствором пористого слоя. Заявленный волоконный световод-конус может быть изготовлен непосредственно в процессе вытяжки (за счет вариации параметров или условий вытяжки), либо с использованием уже вытянутого световода с постоянным диаметром и специального оборудования для изготовления конусных световодов.

На Фиг. 2 продемонстрированы конструкции волоконного ввода излучения накачки в первую оболочку световода-конуса с использованием накачной жилы. Возможен вариант реализации конструкции без предварительного создания конусного перехода в накачной жиле (а). Поскольку выходной конец световода-конуса является сильно многомодовым, то приложение каких-либо деформирующих напряжений к выходному концу будет приводить возникновению деформаций сердцевины 3 и к перекачке излучения из фундаментальной моды в высшие моды. Поэтому накачной световод должен контактировать с световодом-конусом без каких либо напряжений. В предложенной конструкции накачная жила 1 фиксируется на оболочке 2 световода-конуса с помощью полимерного материала 4. Затем накачная жила приплавляется к первой оболочке световода-конуса с помощью электрического разряда, лазерного излучения или нагрева при помощи высокотемпературной печи.

Возможен вариант, в котором на конце накачной жилы предварительно формируется конусная часть. Сплавление накачной жилы и оболочки световода-конуса может осуществляться как в области конической части накачной жилы (б), так и в обеих частях одновременно (в).

Конический переход в накачной жиле может быть реализован как химическими методами, например, травлением в плавиковой кислоте, так и с помощью нагрева электрической дугой, лазерным излучением или нагревом при помощи высокотемпературной печи.

Количество накачных жил ограничено только соотношением геометрических размеров. Максимальное количество жил (N) ограничено диаметром световода-конуса (D_s) и диаметром накачной жилы (D_p) как N<π(D_p+D_s)/D_p (г).

В случае реализации полукруглых углублений (5) в первой оболочке световода-конуса (2) на этапе создания стеклянной заготовки, возможно полное стравливание в плавиковой кислоте второй фторированной оболочки на этапе подготовки световода-конуса, а затем возможна фиксация накачных жил в образовавшихся углублениях (д).

Во всех вариантах исполнения накачная жила приплавляется к первой оболочке световода-конуса с помощью электрического разряда, лазерного излучения или нагрева при помощи высокотемпературной печи.

На Фиг. 3 показана конструкция полностью волоконного усилителя чирпированных импульсов на основе реализованного активного иттербиевого световода-конуса. Данная конструкция содержит источник чирпированных импульсов малой мощности, длительности и энергии 1, реализованный активный световод-конус 2, источник многомодового излучения накачки 3.

Следует отметить, что конструкция усилителя была получена с помощью сварных соединений, т.е. входной тонкий конец активного световода-конуса был приварен с низкими оптическими потерями к волоконному выходу генератора чирпированных импульсов, а волоконный выход источника многомодового излучения приваривался к накачной жиле активного световода-конуса. При этом излучение накачки распространяется навстречу излучению усиливаемого сигнала.

Группа изобретений относится к активным волоконным световодам с полностью волоконными вводом излучения накачки в первую оболочку. Волоконный световод-конус для усиления оптического излучения содержит сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности, при этом диаметр сердцевины увеличивается по длине световода. Кроме того, волоконный световод содержит по меньшей мере одну оболочку из кварцевого стекла и защитное покрытие. При этом показатель преломления сердцевины выше, чем показатель преломления оболочки из кварцевого стекла, показатель преломления которой выше, чем показатель преломления второй оболочки (изготовленной из легированного кварцевого стекла или полимерного покрытия). Технический результат – изготовление волоконного световода-конуса с большим порогом нелинейных эффектов для усиления оптического излучения в спектральной области 1 мкм, легированного оксидом иттербия и имеющего полностью волоконный ввод излучения накачки навстречу усиливаемому сигналу. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волоконный световод-конус для усиления оптического излучения, содержащий:

сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятые вместе или по отдельности, при этом диаметр сердцевины увеличивается по длине световода,

оболочку из кварцевого стекла, оболочку из легированного стекла и защитное покрытие,

при этом показатель преломления сердцевины выше, чем показатель преломления оболочки из кварцевого стекла, показатель преломления которой выше, чем показатель преломления второй оболочки (изготовленной из легированного кварцевого стекла или полимерного покрытия).

2. Способ изготовления волоконного ввода излучения накачки в первую отражающую оболочку реализованного световода-конуса по п.1, содержащий этапы, на которых:

подготавливают световод-канус, удаляя на толстой части защитное покрытие и вторую кварцевую легированную оболочку механическими, химическими или иными (например, при помощи лазера) способами,

подготавливают накачную жилу, удаляя защитное покрытие на ее конце, и/или реализуя конический переход на ее конце с помощью химических методов (например, травления в плавиковой кислоте), физических методов (например, нагревая и растягивая) или иных (например, обработка лазером или ионным пучком),

затем накачная жила фиксируется на световоде-конусе в подготовленном месте и приплавляется при помощи нагрева до температуры размягчения стекла.

3. Конструкция полностью волоконного усилителя, содержащая:

источник усиливаемого излучения,

источник многомодового излучения накачки,

световод-конус, выполненный по п.1,

при этом все соединения в конструкции усилителя являются сварными.