ЦЕЛЬНО-ВОЛОКОННЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2021 года по МПК H01S3/67 

Изобретение относится к приборам для генерации с использованием стимулированного излучения когерентных электромагнитных волн и может быть использовано в квантовых устройствах для генерирования, стабилизации, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, а именно к цельно-волоконным перестраиваемым по частоте узкополосным лазерам с регулируемой шириной спектральной линии, предназначенным для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты волоконных лазеров.

Волоконные лазеры относятся к лазерным системам, в качестве активной среды которых используется легированное волокно. По сравнению с другими видами лазеров волоконные лазеры имеют много преимуществ: высокую эффективность преобразования накачки в лазерное излучение, хороший съем тепла и превосходное качество пучка.

Известно техническое решение, описанное в патенте RU №2269849, МПК H01S 3/067, опубл. 27.02.2005 г., под названием «Узкополосные волоконные лазеры большой мощности с расширенным диапазоном длин волн». Данное техническое решение содержит две пары волоконных брэгговских решеток. Первая пара брэгговских решеток образует первый резонатор. Вторая пара брэгговских решеток резонирует на выходной длине волны волоконного лазера.

К недостаткам данного изобретения следует отнести:

- сложный составной резонатор лазера, состоящий из двух пар брэгговских решеток;

- отсутствие возможности изменять длину волны лазерного излучения;

- отсутствие возможности изменения и контроля ширины спектральной линии лазерного излучения во время работы лазера;

- отсутствие защиты от воздействия внешних факторов (температура и вибрация) на элементы схемы.

Также известно техническое решение, описанное в патенте RU №2216081, МПК H01S 3/00, опубл. 10.11.2003 г., под названием «Лазер с перестраиваемой длиной волны излучения». Данное техническое решение содержит два резонатора, оптически связанных между собой и установленных на общей оси. Первый резонатор сформирован первым полупрозрачным выходным и вторым прозрачным для длин волн с высоким коэффициентом усиления и непрозрачным для длин волн с низким коэффициентом усиления зеркалами. Второй резонатор сформирован первым полупрозрачным выходным и третьим высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления зеркалами. Активный элемент установлен в первом резонаторе. Затвор размещен во втором резонаторе между вторым и третьим зеркалами. Затвор выполнен в виде установленной перпендикулярно оси резонатора вытянутой кюветы со сквозным отверстием, центр которого совпадает с оптической осью резонатора, внутри кюветы расположен непрозрачный для лазерного излучения элемент с возможностью перемещения вдоль кюветы.

К недостаткам данного изобретения следует отнести:

- сложный составной резонатор лазера, состоящий из нескольких решеток;

- не цельно-волоконное исполнение;

- отсутствие возможности изменения и контроля ширины спектральной линии лазерного излучения во время работы лазера;

- отсутствие защиты от воздействия внешних факторов (температура и вибрация) на элементы схемы;

- большое количество оптических и механических элементов, входящих в схему лазера.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является техническое решение, описанное в патенте CN №102185246, МПК H01S 3/067, H01S 3/08, H01S 3/13, опубл. 03.06.2015 г., под названием «Одночастотный волоконный лазер с резонатором». Данное техническое решение содержит корпус с элементом ввода лазерного излучения, модуль накачки, лазерный резонатор, состоящий из волоконных брэгговских решеток и активного волокна, оптический изолятор и световоды.

К недостаткам известного устройства следует отнести:

- генерация лазерного излучения возможна только в одночастотном режиме, нет возможности изменять ширину спектральной линии лазерного излучения без доработки лазера (замена брэгговских решеток, изменение длины резонатора);

- невозможно динамически изменять длину волны лазерной генерации;

- нет возможности динамически изменять состояние поляризации лазерного излучения (линейное или эллиптическое состояние поляризации лазерного излучения), данная система генерирует только линейно поляризованное излучение;

- нет возможности динамически (во время работы) измерять ширину спектральной линии, а также состояние поляризации лазерного излучения.

Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей за счет получения перестраиваемого по частоте цельно-волоконного узкополосного лазера с регулируемой шириной спектральной линии, а также улучшением качественных характеристик, а именно временной стабильности работы, надежности, возможности динамического изменения состояния поляризации лазерного излучения, а также контроля параметров лазерного излучения во время работы данного лазера.

Технический результат заключается в том, что удалось обеспечить возможность детектирования и управления длиной когерентности лазерного излучения многоканальной лазерной системы в режиме работы, что в свою очередь привело к увеличению надежности лазера, за счет уменьшения случаев выхода из строя всей системы в целом, а также возможность непрерывного контроля негативных оптических эффектов, таких как возникновение шумов, вызванных обратно распространяющимся излучением или усилением спонтанного излучения.

Это достигается тем, что в цельноволоконном узкополосном лазере, содержащем металлический корпус с элементом ввода лазерного излучения, модулем накачки, лазерным резонатором, состоящим из волоконных брэгговских решеток и активным волокном, оптическим изолятором и световодами, согласно изобретению, он снабжен не менее чем двумя изоляционными термостабилизированными блоками, выполненными в виде теплопроводящих подложек, одна из которых оборудована активным волокном, уложенным кольцеобразно без перехлестов, а другие, по отдельности, волоконными брэгговскими решетками, выполненными «глухой» и «выходной», и не менее чем двумя «выходными» световодами, один из которых расположен со стороны «глухой» волоконной брэгговской решетки, а другой расположен со стороны «выходной» волоконной брэгговской решетки, при этом элемент ввода лазерного излучения выполнен в виде каплера, модуль накачки выполнен термостабилизированным, а оптический изолятор соединен с «выходной» волоконной брэгговской решеткой.

Кроме того, с целью использовании данного лазера в виде задающего генератора для многоканальных лазерных систем (встраивания в корпус лазерной системы) и для защиты от внешних (физических) факторов, корпус выполнен металлическим.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Изобретение проиллюстрировано на чертежах, где

на фиг. 1 представлена оптическая схема цельно-волоконного узкополосного лазера;

на фиг. 2 представлена схема из трех термостабилизированных блоков.

На чертеже введены следующие позиции:

1 - теплопроводящая подложка;

2 - «глухая» волоконная брэгговская решетка;

3 - «выходная» волоконная брэгговская решетка;

4 - активное волокно;

5 - элемент ввода лазерного излучения (объединитель мощности лазерного излучения) в виде каплера;

6 - термостабилизированный модуль накачки;

7 - оптический изолятор;

8 - торец выходного световода, расположенного со стороны оптического изолятора;

9 - торец выходного световода, расположенного со стороны «глухой» волоконной брэгговской решетки.

Оптическая схема цельно-волоконного узкополосного лазера состоит из корпуса (на фиг.1 не показано), содержащего три термостабилированных блока, выполненных каждый в виде теплопроводящих подложек 1 с закрепленными на них волоконными брэгговскими решетками 2 и 3 и активным волокном 4: в одном блоке закреплена на подложке 1 «глухая» волоконная брэгговская решетка 2 (с образованием термостабилизированной «глухой» брэгговской решетки), в другом блоке закреплена на подложке 1 «выходная» волоконная брэгговская решетка 3 (с образованием термостабилизированной «выходной» брэгговской решетки), и в третьем блоке закреплено активное волокно 4, уложенное кольцеобразно без перехлестов на теплопроводящей подложке 1 (с образованием термостабилизированного активного волокна), а также оптический изолятор 7, элемент ввода лазерного излучения в виде каплера 5 (объединитель мощности лазерного излучения), термостабилизированного модуля накачки 6. Также на схеме (фиг. 1) обозначен торец выходного световода 8, расположенного со стороны оптического изолятора 7, с которого распространяется генерируемое лазерное излучение, и торец выходного световода 9, расположенного со стороны «глухой» волоконной брэгговской решетки 2, с которого контролируют параметры генерируемого лазерного излучения (ширина спектральной линии лазерного излучения, состояние поляризации).

Работа осуществляется следующим образом. Излучение с термостабилизированного модуля накачки 6 (длина волны излучения ~ 975 нм) при помощи элемента ввода лазерного излучения 5, выполненного в виде каплера 2+1 в 1, попадает в резонатор, состоящий из «глухой» волоконной брэгговской решетки 2 (отражение 99,9%), «выходной» волоконной брэгговской решетки 3 (отражение ~ 4%) и активного волокна 4. Установку и удержание температуры на этих элементах резонатора производят при помощи теплопроводящей подложки 1. Генерируемое излучение выходит через торец выходного световода 8. При увеличении мощности лазерного излучения, распространяющегося с торца выходного световода 8, может появиться лазерное излучение, распространяемое в противоположном направлении относительно основного сигнала. Для предотвращения влияния этого обратно распространяющегося излучения на измеряемые параметры лазерного излучения с торца выходного световода 9, используют оптический изолятор 7. За счет того, что «глухая» решетка 2 работает в специальном режиме (отражение света ~ 80%) малая часть излучения (не более 10% мощности генерируемого излучения) распространяется с торца выходного световода 9. Параметры лазерного излучения, распространяющегося с торца выходных световодов 8 и 9 обладают одними и теми же параметрами (шириной спектральной линии, состоянием поляризации), что позволяет контролировать параметры излучения во время работы лазера.

Ширина спектральной линии лазерного излучения зависит от степени перекрытия спектров отражения волоконных брэгговских решеток 2 и 3. Чем меньше степень перекрытия спектров пропускания волоконных брэгговских решеток 2 и 3, тем уже ширина спектральной линии лазерного излучения лазера. Одним из способов изменения спектра отражения является изменение и удержание нужной температуры на теплопроводящих подложках 1. Температура на теплоотводящих подложках 1 изменяется при помощи пельтье - элементов. В корпусе, представленном на фиг. 2, температура варьируется в трех областях: «глухая» волоконная брэгговская решетка 2, «выходная» волоконная брэгговская решетка 3 и активное волокно 4.

Температура на активном волокне 4 должна быть постоянной, так как при изменении температуры меняется оптическая длина активного волокна, а для стабильности работы лазера необходимо, чтобы оптическая длина оставалась постоянной.

Зависимость центральной длины волны отражения волоконной брэгговской решетки 2 и 3 от температуры имеет линейный характер, таким образом, зная центральную длину волны спектра отражения волоконной брэгговской решетки 2 и 3, мы можем точно знать, насколько необходимо изменить температуру на обеих волоконных брэгговских решетках, для реализации нужной степени перекрытия спектров отражения.

Примером конкретного выполнения может являться цельно-волоконный узкополосный лазер с металлическим корпусом, состоящий из «глухой» волоконной брэгговской решетки 2 (центральная длина волны отражения 1079,3 нм, ширина спектральной линии отражения ~ 0.4 нм), закрепленной на алюминиевой подложке 1 при помощи любого полимерного клея, термостабилизированной «выходной» волоконной брэгговской решетки 3, закрепленной на алюминиевой подложке 1 при помощи любого полимерного клея, активного волокна 4, уложенного в виде колец без перехлеста длиной около трех метров, закрепленного на алюминиевой подложке 1 при помощи любого полимерного клея, волоконного оптического изолятора 7, работающего в области 1070±10 нм, оптического объединителя мощности лазерного излучения 5, выполненного в виде каплера 2+1 в 1, термостабилизированного модуля накачки 6, генерирующего излучение на длине волны ~ 975 нм с максимальной выходной мощностью ~ 5,5 Вт. При использовании данного устройства (см. фиг. 1) с корпусом (см. фиг. 2) и активного волокна (легированного ионами Yb³⁺) длиной ~3 м, лазерное излучение имеет следующий диапазон параметров:

- выходная мощность ЛИ Р_вых ~ 2 Вт;

- ширина спектральной линии ЛИ Δν ∈ [120: 1800] МГц;

- поляризация света ~ 90%;

- состояние поляризации - любое.

Использование данного изобретения позволит изготавливать многоканальные лазерные системы как с когерентным, так и спектральным сложением лазерного излучения. Предложенное техническое решение полностью устраняет перечисленные выше недостатки аналогичных технических решений, а также позволяет выполнить требования, предъявляемые как к лазерному излучению, так и к корпусу лазера (задающего генератора).

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к приборам для генерации с использованием стимулированного излучения когерентных электромагнитных волн и может быть использовано в квантовых устройствах для генерирования, стабилизации, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующих стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, а именно к цельно-волоконным перестраиваемым по частоте узкополосным лазерам с регулируемой шириной спектральной линии, предназначенным для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты волоконных лазеров. Оптическая схема цельно-волоконного узкополосного лазера состоит из корпуса, содержащего три термостабилированных блока, выполненных каждый в виде теплопроводящих подложек 1 с закрепленными на них волоконными брэгговскими решетками 2 и 3 и активным волокном 4, уложенным кольцеобразно без перехлестов на теплопроводящей подложке 1, а также оптический изолятор 7, элемент ввода лазерного излучения в виде каплера 5, термостабилизированного модуля накачки 6, со стороны оптического изолятора 7, с которого распространяется генерируемое лазерное излучение, расположен торец выходного световода 8, и торец выходного световода 9, расположенного со стороны «глухой» волоконной брэгговской решетки 2, с которого контролируют ширину спектральной линии лазерного излучения, состояние поляризации. Технический результат заключается в обеспечении возможности детектирования и управления длиной когерентности лазерного излучения многоканальной лазерной системы в режиме работы и уменьшении случаев выхода из строя всей системы в целом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Цельно-волоконный узкополосный лазер, содержащий корпус с элементом ввода лазерного излучения, модулем накачки, лазерным резонатором, состоящим из волоконных брэгговских решеток и активного волокна, оптическим изолятором и световодами, отличающийся тем, что он снабжен не менее чем двумя изоляционными термостабилизированными блоками, выполненными в виде теплопроводящих подложек, одна из которых оборудована активным волокном, уложенным кольцеобразно без перехлестов, а другие, по отдельности, волоконными брэгговскими решетками, выполненными «глухой» и «выходной», и не менее чем двумя «выходными» световодами, один из которых расположен со стороны «глухой» волоконной брэгговской решетки, а другой расположен со стороны «выходной» волоконной брэгговской решетки, при этом элемент ввода лазерного излучения выполнен в виде каплера, модуль накачки выполнен термостабилизированным, а оптический изолятор соединен с «выходной» волоконной брэгговской решеткой.

2. Цельно-волоконный узкополосный лазер по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен металлическим.