Устройство для перестройки длины волны генерации волоконного лазера Российский патент 2020 года по МПК H01S3/67 G02F1/01 G02B6/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для перестройки длины волны генерации волоконных лазеров. Волоконные лазеры с перестраиваемой длиной волны могут найти применение в спектроскопии, волоконно-оптических сенсорных системах, волоконно-оптической связи.

Известно техническое решение для перестройки длины волны генерации волоконного лазера, представленное в статье (R. Wyatt, "High-power broadly tunable erbium-doped silica fibre laser," Electron. Lett. 25, 1498 (1989)). В данном методе перестройка длины волны осуществляется за счет отражающей дифракционной решетки, угол падения излучения, который определяет длину волны отражения и, следовательно, длину волны генерации волоконного эрбиевого лазера, которая может изменяться с помощью данного метода на 70 нм от 1510 нм до 1580 нм.

Недостатком данного технического решения является необходимость использования объемных элементов (линзы, дифракционная решетка) в оптической схеме, что снижает стабильность выходных параметров схемы из-за расстройки относительных положений элементов и требует постоянной юстировки данных элементов.

Известно техническое решение для перестройки длины волны генерации волоконного лазера (US5691999A, «COMPRESSION-TUNED FIBER LASER») в полностью волоконном исполнении, что устраняет недостатки предыдущего метода. В данном методе перестройка длины волны генерации волоконного эрбиевого лазера осуществляется за счет сжатия резонатора волоконного лазера, образованного двумя отражающими волоконными брэгговскими решетками (ВБР) показателя преломления и участка активного волокна, легированного ионами эрбия. Поскольку пороговое значения относительной деформации кварцевого волокна при сжатии (ε = ΔL/L ≈ -0.23) существенно превышает значение данной величины при растяжении (ε = ΔL/L ≈ 0.01), то в случае сжатия ВБР диапазон перестройки лазерной генерации будет гораздо больше (32 нм), чем в случае растяжения (5 нм).

Недостатком данного технического решения является ограничение на длину резонатора, который подвергается сжатию, что снижает эффективность и мощность генерации излучения волоконных лазеров из-за малой длины активного волокна или требует использования специализированного высоколегированного волокна.

Известно техническое решение перестройки длины волны генерации волоконного иттербиевого лазера, представленное в статье (V.A. Akulov, D.М. Afanasiev, S.A. Babin, D.V. Churkin, S.I. Kablukov, M.A. Rybakov, and A.A. Vlasov, "Frequency tuning and doubling in Yb-doped fiber lasers," Laser Phys. 17, 124-129 (2007).). В данном решении перестройка длины волны генерации иттербиевого лазера на 45 нм осуществлялась за счет перестройки на сжатие только одной ВБР, образующей резонатор, поскольку вторым выходным зеркалом резонатора лазера являлась торцевая поверхность световода, полированная под углом 90° к оси световода, которая обладает широкополосным отражением по длине волны. В данном случае, поскольку перестраивается не весь резонатор, а только одна ВБР, длина резонатора не ограничена, как в предыдущем методе, и составила 20 м, что позволило получить высокую выходную мощность излучения до 6 Вт.

Недостатком данной схемы является отсутствие возможности изменения величины отражения выходного зеркала с целью оптимизации выходной мощности лазера при заданной мощности накачки.

Известно техническое решение, представленное в статье (С.Р. Абдуллина, С.А. Бабин, А.А. Власов, С.И. Каблуков, А.С. Курков, И.С. Шелемба, "Полностью волоконный иттербиевый лазер, перестраиваемый в спектральном диапазоне 45 нм", Квантовая электроника, 37:12 (2007), 1146-1148), в котором производилась перестройка длины волны иттербиевого лазера за счет одновременной перестройки как высокоотражающей, так и слабоотражающей выходной ВБР, которые были закреплены на одной пластине, которая подвергалась деформации изгиба с целью одновременного сжатия ВБР, которые располагались на внутренней стороне пластины относительно нейтральной плоскости изгиба. В отличие от предыдущего способа, коэффициент отражения выходной ВБР может быть подобран, таким образом, чтобы выходная мощность излучения волоконного лазера при фиксированной мощности накачки была максимальной.

Недостатком данной схемы является рассогласование по длине волны отражения высокоотражающей и слабоотражающей ВБР при перестройке, вследствие слабо контролируемой пластической деформации клеевого соединения между ВБР и пластиной, а также низкая долговременная стабильность длины волны и невозможность обеспечить быструю перестройку.

Известно техническое решение, представленное в статье (N. Mohammad, W. Szyszkowski, W. J. Zhang, E. I. Haddad, J. Zou, W. Jamroz, and R. Kruzelecky, "Analysis and development of a tunable fiber Bragg grating filter based on axial tension/compression," J. Light. Technol. 22, 2001-2013 (2004)), в которой перестройка длины волны ВБР на 56.5 нм осуществлялась как за счет растяжения, так и за счет сжатия ВБР. При этом волокно с ВБР с двух сторон было зафиксировано с помощью клея в керамических ферулах (с внутренним диаметром на 2 мкм большим, чем диаметр волокна), одна из которых перемещалась с помощью линейного транслятора. Участок волокна с ВБР, расположенный между двумя этими ферулами располагался в третьей керамической феруле с возможность свободного перемещения в ней.

Недостатком данного решения является нелинейная зависимость перестройки по длине волны ВБР от величины деформации при величине деформации более 1%, вызванная деформацией клея, на который закрепляется волокно в феруле и изгиб волокна при сжатии, что ограничивает спектральную область перестройки в линейном режиме

Перед авторами ставилась задача разработать устройство для перестройки длины волны генерации волоконных лазеров в широком спектральном диапазоне в полностью волоконном исполнении с линейной зависимостью величины перестройки длины волны от величины деформации.

Поставленная задача решается с помощью использования ВБР в качестве зеркал, формирующих резонатор волоконного лазера, расположенных в сердцевинах многосердцевинного световода, который с двух сторон зафиксирован с помощью клея в керамических ферулах, одна из которых перемещается с помощью линейного транслятора, а вторая закреплена неподвижно, участок волокна с ВБР, расположенный между двумя этими ферулами, располагался в третьей керамической феруле с возможностью свободного перемещения в ней, причем слабоотражающие волоконные брэгговские решетки размещены в центральной сердцевине многосердцевинного волокна, а высокоотражающие волоконные брэгговские решетки - в периферийных сердцевинах, при этом количество слабоотражающих волоконных брэгговских решеток должно быть равно количеству высокоотражающих волоконных брэгговских решеток, которые выполнены по одной в периферийных сердцевинах с различными длинами волн отражения, при этом длины волн отражения пары высокоотражающая - слабоотражающая волоконные брэгговские решетки в исходном положении должны быть согласованы для достижения синхронной перестройки за счет растяжения/сжатия многосердцевинного световода

Для обеспечения непрерывной спектральной перестройки, соседние по длинам волн отражения волоконные брэгговские решетки имеют частично перекрьшающийся спектральный диапазон перестройки.

Техническим результатом заявляемого устройства перестройки длины волны волоконного лазера является возможность перестройки длины волны генерации волоконного лазера в большом спектральном диапазоне без рассогласования слабоотражающих и высокоотражающих ВБР, линейность перестройки от величины деформации.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства перестройки длины волны волоконного лазера, где:

I - источник накачки волоконного лазера,

2 - спектрально-селективный разветвитель,

3 - активный световод,

4 - оптический свитч,

5 - центральная сердцевина многосердцевинного световода,

6 - периферийная сердцевина многосердцевинного световод,

7 - многосердцевинный световод,

8 - высокотражающие ВБР, расположенные в периферийных сердцевинах многосердцевинного световода,

9 - слабоотражающие ВБР, расположенные в центральной сердцевине многосердцевинного световода,

10 - цилиндр, центрирующий ферулы

11 - устройство разделения сердцевин многосердцевинного световода на отдельные одномодовые световоды,

12 - торец волокна, шлифованный под углом к оси волокна, для подавления обратного отражения,

13 - выходное излучение волоконного лазера,

14 - непоглощенное излучение источника накачки волоконного лазера,

15 - подвижная ферула, в которой закреплен многосердцевинный световод,

16 - линейный транслятор для перемещения подвижной ферулы,

17 - промежуточная ферула, внутри которой многосердцевинный световод перемещается свободно,

18 - неподвижная ферула, в которой закреплен многосердцевинный световод.

На фиг. 2 представлена схема перестройки длины волны волоконного лазера на основе многосердцевинного световода с одновременной перестройкой двух ВБР, записанных в периферийной и центральной сердцевине многосердцевинного световода. Обозначение - те же, что и на фиг. 1.

На фиг. 3 представлены спектры генерации волоконного лазера на основе многосердцевинного световода с одновременной перестройкой двух ВБР при различной величине деформации.

Заявляемое устройство перестройки длины волны волоконного лазера работает следующим образом. Излучение от источника накачки 1 волоконного лазера с помощью спектрально-селективного разветвителя 2 заводится в резонатор волоконного лазера, который образован отрезком активного световода 3 и парой согласованных по длине волны ВБР - слабоотражающей ВБР 9, расположенной в центральной сердцевине 5 многосердцевинного световода 7, и высокоотражающей ВБР 8, расположенной в одной из периферийных сердцевин 6 многосердцевинного световода 7. Выбор периферийных сердцевин 6 многосердцевинного световод 7 осуществляется посредством соединения отрезка активного световода 3 с одной из периферийных сердцевин 6 многосердцевинного световода 7 с помощью оптического свитча 4, выходы которого соединены с одномодовыми световодами устройства 11 разделения сердцевин многосердцевинного световода 7 на отдельные одномодовые световоды. При этом в центральной сердцевине 5 многосердцевинного световода 7 располагаются слабоотражающие ВБР 9 с различными длинами волн отражения от λ₁ до λ_n, где - коротковолновая граница перестройки длины волны волоконного лазера, λ_n - длинноволновая граница перестройки длины волны волоконного лазера. В каждой из периферийных сердцевин 6 многосердцевинного световода 7 располагаются по одной высокотражающей ВБР 8 с различными длинами волн отражения от λ₁ до λ_n, число n равно числу периферийных сердцевин 6 многосердцевинного световод 7. Таким образом, при определенном положении переключателя оптического свитча 4 резонатор волоконного лазера будет содержать только одну высокоотражающую ВБР 8 с резонансной длиной волны отражения λ_i, при этом в центральной сердцевине также будет присутствовать соответствующая слабоотражающая ВБР 9 с такой же с резонансной длиной волны отражения λ_i, поэтому выходное излучение 13 волоконного лазера будет также иметь длину волны λ_i и будет выводиться из резонатора и разделяться от непоглощенного излучения 14 источника накачки волоконного лазера с помощью второго спектрально-селективный разветвителя 2. Перестройка при фиксированной длине волны λ_i осуществляется за счет одновременного сжатия/растяжения участка многосердцевинного световода в малом диапазоне деформации для обеспечения линейной зависимости изменения длины волны генерации волоконного лазера от величины деформации, в сердцевинах многосердцевинного световода, который с двух сторон зафиксирован с помощью клея в керамических ферулах, одна из которых является подвижной 15 перемещается с помощью линейного транслятора 16, а вторая ферула 18 закреплена неподвижно, участок волокна с ВБР, расположенный между двумя этими ферулами располагался в третьей керамической феруле 17 с возможность свободного перемещения в ней. Все три ферулы размещаются в одном центрирующем ферулы керамическом цилиндре 10. При сближении ферул с помощью перемещения линейного транслятора 16 осуществляется одновременное сжатие как высокоотражающих ВБР 8, так и слабоотражающих ВБР 9. Поскольку величина относительной деформации многосердцевинного волокна в месте расположения высокоотражающих ВБР 8 и слабоотражающих ВБР 9 в данном случае будет одинаковой, то и изменение резонансной длины волны согласно (1) будет одинаковым, что обеспечивает синхронную перестройку длины волн ВБР, а значит и длины волны генерации волоконного лазера.

где Δλ - изменение резонансной длины волны отражения ВБР, λ_B - резонансная длина волны отражения ВБР, Р_е - эффективный коэффициент фотоупругости, ε = ΔL/L₀ - величина относительной деформации, равная отношению величины деформации ΔL к исходной длине деформируемого объекта L₀.

Для демонстрации работоспособности предложенного устройства перестройки длины волны волоконного лазера была изготовлена схема (Фиг. 2) волоконного лазера с волоконными брэгговскими решетками: слабоотражающая ВБР была расположена в центральной сердцевине МСС, тогда как высокоотражающая была расположена в периферийной сердцевине МСС. При сжатии участка МСС с ВБР резонансная длина волны ВБР уменьшается, что приводит к соответствующему изменению длины волны генерации волоконного лазера, представленного на Фиг. 3. При растяжении участка МСС с ВБР резонансная длина волны ВБР увеличивается, что также приводит к соответствующему изменению длины волны генерации волоконного лазера, представленного на Фиг. 3. Таким образом, показана синхронная перестройка слабоотражающей и высокоотражающей ВБР для перестройки длины волны генерации волоконного лазера на 17 нм.

Таким образом, заявленный способ позволяет осуществлять перестройку длины волны генерации волоконного лазера в широком спектральном диапазоне в полностью волоконном исполнении с линейной зависимостью изменения длины волны генерации волоконного лазера от величины деформации ВБР.

Изобретение относится к области оптического приборостроения. Устройство для перестройки длины волны генерации волоконного лазера включает волоконные брэгговские решетки (ВБР) в качестве зеркал, формирующих резонатор волоконного лазера, расположенных в сердцевинах многосердцевинного световода, который с двух сторон зафиксирован с помощью клея в керамических ферулах, одна из которых перемещается с помощью линейного транслятора, а вторая закреплена неподвижно. Участок волокна с ВБР, расположенный между двумя этими ферулами, располагается в третьей керамической феруле с возможностью свободного перемещения в ней. Слабоотражающие ВБР размещены в центральной сердцевине многосердцевинного волокна, а высокоотражающие ВБР - в периферийных сердцевинах, при этом количество слабоотражающих ВБР должно быть равно количеству высокоотражающих ВБР, которые выполнены по одной в периферийных сердцевинах с различными длинами волн отражения, при этом длины волн отражения пары высокоотражающая - слабоотражающая ВБР в исходном положении должны быть согласованы для достижения синхронной перестройки за счет растяжения/сжатия многосердцевинного световода. Технический результат заключается в обеспечении возможности линейной зависимости величины перестройки длины волны от величины деформации волокна. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для перестройки длины волны генерации волоконного лазера, включающее резонатор, в котором использованы волоконные брэгговские решетки в качестве зеркал, расположенных в сердцевинах многосердцевинного световода, а также устройство разделения сердцевин многосердцевинного световода на отдельные одномодовые световоды, при этом многосердцевинный световод с двух сторон зафиксирован в керамических ферулах, одна из которых выполнена с возможностью перемещения, а вторая закреплена неподвижно, при этом участок волокна с волоконными брэгговскими решетками, расположенный между двумя этими ферулами, помещен в третью керамическую ферулу с возможностью свободного перемещения в ней, причем слабоотражающие волоконные брэгговские решетки размещены в центральной сердцевине многосердцевинного волокна, а высокоотражающие волоконные брэгговские решетки - в периферийных сердцевинах, при этом количество слабоотражающих волоконных брэгговских решеток должно быть равно количеству высокоотражающих волоконных брэгговских решеток, которые выполнены по одной в периферийных сердцевинах с различными длинами волн отражения, при этом длины волн отражения пары высокоотражающая - слабоотражающая волоконные брэгговские решетки в исходном положении должны быть согласованы для достижения синхронной перестройки за счет растяжения/сжатия многосердцевинного световода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для обеспечения непрерывной спектральной перестройки соседние по длинам волн отражения волоконные брэгговские решетки имеют частично перекрывающийся спектральный диапазон перестройки.