ЦЕЛЬНО-ВОЛОКОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2021 года по МПК H01S3/67 H01S3/82 

Изобретение относится к приборам для генерации, а именно к импульсным волоконные лазерам, которые позволяют получать большие пиковые мощности и энергии при относительно невысокой мощности накачки и находят широкое применение в таких приложениях как обработка материалов, маркировка продукции, медицина, преобразование частоты излучения в другие области спектра.

Известные в настоящее время способы получения импульсного режима работы лазеров основаны на синхронизации мод лазера и модуляции добротности. Для получения мощных наносекундных импульсов с частотой следования от единиц до десятков килогерц получили распространение схемы с модуляцией добротности. Модуляцию добротности в резонаторе лазера осуществляют как активным способом с применением управляемых затворов, так и пассивным способом с применением пассивных сред и элементов, выступающих в качестве насыщающихся поглотителей. Модуляция добротности в волоконном лазере при использовании волоконного насыщающегося элемента позволяет реализовывать цельноволоконный лазер. К преимуществам цельноволоконных лазеров следует отнести высокое оптическое качество излучения, простоту, компактность и устойчивость к внешним воздействующим факторам.

Известен цельноволоконный лазер с пассивной модуляцией добротности A.S. Kurkov et al, All fiber Yb-Ho pulsed laser, Laser Phys. Lett. 6, No.2, 135-138 (2009), где авторы осуществляют пассивную модуляцию добротности с помощью волоконного насыщающегося поглотителя с собственным резонатором с глухими зеркалами (волоконными брэгговскими решетками) на длине волны, соответствующей лазерному переходу в поглотителе. В качестве насыщающегося элемента использовался волоконный гольмиевый световод, который помещался в резонаторе иттербиевого волоконного лазера.

Известен импульсный лазер, описанный в патенте RU № 2 444 100, МПК H01S 3/082, опубл. 27.02.2012 и выбранный в качестве прототипа, содержащаяий два волоконных резонатора - коротковолновый и длинноволновый, являющиеся резонаторами соответственно коротковолнового и длинноволнового волоконных лазеров, образованных собственными парами волоконных брэгговских решеток, при этом накаченный извне коротковолновый резонатор является лазером накачки длинноволнового резонатора, коротковолновый и длинноволновый волоконные резонаторы расположены последовательно, а активное волокно коротковолнового лазера служит усилителем для выводимого излучения длинноволнового лазера.

К недостаткам рассматриваемого технического решения следует отнести:

- двух волновой режим работы лазера;

- низкую эффективность преобразования излучения накачки в излучение на рабочей длине волны импульсного волоконного лазера.

Задачей настоящего изобретения является создание цельноволоконного импульсного лазера с высокой эффективностью и стабильным режимом генерации с увеличенной выходной мощностью.

Техническим результатом является повышение эффективности и увеличение выходной мощности лазерного излучения за счет новой схемы импульсного лазера с более эффективным использованием внешней накачки лазера.

Это достигается тем, что в цельноволоконном импульсном волоконном лазере, содержащем два волоконных резонатора - коротковолновый и длинноволновый, являющиеся резонаторами соответственно коротковолнового и длинноволнового волоконных лазеров,

образованных собственными парами волоконных брэгговских решеток, при этом накаченный извне коротковолновый резонатор является лазером накачки длинноволнового резонатора, коротковолновый и длинноволновый волоконные резонаторы расположены последовательно, а активное волокно коротковолнового лазера служит усилителем для выводимого излучения длинноволнового лазера, согласно изобретению выход лазера снабжен фильтром в виде участка активного волокна длинноволнового лазера.

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».

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена оптическая схема цельноволоконного импульсного лазера.

На фиг. 2 представлена осциллограмма выходного сигнала лазерного излучения (ЛИ).

На фиг. 3 представлена осциллограмма формы импульса ЛИ:

(а) - сигнал с фильтрацией Tm 1908 нм и 2078 нм, в схеме на выходе использован участок гольмиевого волокна,

(б) - сигнал без фильтрации Tm 1908 нм и 2078 нм.

На фиг. 1 введены следующие обозначения:

1 - коротковолновой лазер;

2 - глухая волоконная брэгговская решетка (ВБР), образующая коротковолновой резонатор;

3 - выходная волоконная брэгговская решетка (ВБР), образующая коротковолновой резонатор;

4 - длинноволновой лазер;

5 - глухая волоконная брэгговская решетка (ВБР), образующая длинноволновой резонатор;

6 - выходная волоконная брэгговская решетка (ВБР), образующая длинноволновой резонатор;

7 - лазерные диоды;

8 - сплавной сигнальный объединитель;

9 - активное волокно длинноволнового лазера;

10 - активное волокно коротковолнового лазера

Цельноволоконный импульсный лазер состоит из коротковолнового лазера 1, резонатор которого образованного двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР) 2 и 3, и длинноволнового лазера 4, активная среда которого является насыщающимся поглотителем. В длинноволновом лазере 4 резонатор образован волоконными брэгговскими решетками 5 и 6. Накачку активного волокна 10 коротковолнового лазера 1 осуществляют с помощью излучения лазерных диодов 7, либо других волоконных лазеров. Ввод излучения накачки коротковолнового лазера 1 осуществляют с помощью сплавного сигнального объединителя 8 (6+1/1). Излучение коротковолнового лазера 1 осуществляет накачку длинноволнового лазера 4. Длинноволновой лазер 4 обеспечивает вывод излучения в сторону коротковолнового лазера 1. При условии попадания длины волны генерации длинноволнового лазера 4 в область усиления активной среды коротковолнового лазера 1, наблюдается устойчивый импульсный режим коротковолнового лазера 1 и длинноволнового лазера 4. Для более эффективного преобразования излучения коротковолнового лазера 1 в излучение длинноволнового лазера 4 на выходе можно использовать участок активного волокна 9, выполняющего роль фильтра, работающего как усилитель.

Активное волокно 9 длинноволнового лазера 4 и коротковолнового лазера 1 легируется одинаковыми или разными ионами редкоземельных элементов. Например: Тш-Тш или Тт-Но.

Устройство работает следующим образом: в коротковолновом лазере 1, активное волокно которого 10 накачивается с помощью излучения лазерных диодов 7, либо других лазеров, генерируется коротковолновое излучение, которое направляется в сторону длинноволнового лазера 4 и служит для него накачкой. В свою очередь, в длинноволновом лазере 4, генерируется длинноволновое излучение, которое направляется в сторону коротковолнового лазера 1, где с одной стороны усиливается, а с другой стороны вызывает срыв генерации коротковолнового излучения, запуская тем самым импульсный режим работы лазера. На выходе лазера присутствует как длинноволновое, так и коротковолновое импульсное излучение. Для подавления коротковолновой составляющей на выходе лазера используют участок активного волокна 9, выступающий в роли фильтра и усилителя.

На предприятии был создан экспериментальный образец цельноволоконного импульсного лазера на активных волокнах, легированных ионами Tm и Но. В качестве коротковолнового лазера 1 использовали тулиевый волоконный лазер на длине волны 1908 нм. Коротковолновый лазер 1 был образован глухой 2 волоконной брэгговской решеткой и выходной 3 волоконной брэгговской решеткой на длине волны 1908 нм. В качестве активного волокна 9 использовали тулиевое волокно. Накачка коротковолнового лазера 1 (тулиевого волоконного лазера) осуществлялась по оболочке с помощью сплавного сигнального объединителя 8 (6+1/1) лазерными диодами 7 с волоконными выходами на длине волны 793 нм и суммарной мощностью до 45 Вт. В качестве длинноволнового лазера 4 использовали гольмиевый лазер на длине волны 2078 нм. В качестве активного волокна 10 длинноволнового лазера использовали гольмиевое волокно. Длинноволновой лазер 4 образован глухой и выходной волоконными брэгговскими решетками 5 и 6, записанными на длине волны 2078 нм. Параметры сердцевины транспортных и активных волокон 9 обеспечивают одномодовый режим на длине волны генерации лазера 2078 нм. Для предотвращения развития паразитной генерации на торцах волоконного лазера использовали волоконные элементы END-CAP. Для подавления коротковолновой составляющей ЛИ и усиления длинноволнового ЛИ на выходе использовали участок активного гольмиевого волокна 9. На фиг. 2 представлена осциллограмма последовательности импульсов экспериментального образца импульсного Tm-Но лазера, работающего на длинах волн 1908 и 2078 нм с частотой следования импульсов 125 кГц. Осциллограммы формы одного импульса лазера представлены на фиг. 3. для двух случаев: для случая работы экспериментального образца с фильтрацией коротковолнового сигнала (фиг. 3 (а)) и для случая работы лазера без фильтрации коротковолнового сигнала (фиг. 3(б)). Изменяя концентрацию легирующей примеси и длину активного волокна, используемого в качестве фильтра, можно изменять соотношение уровня длинноволнового и коротковолнового сигнала в выходном излучении лазера.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: В реализованном по предложенной схеме цельноволоконном импульсном лазере осуществляется стабильная импульсная генерация ЛИ, не требующая стабилизации температуры Но волокна. Стабильный режим и высокая эффективность генерации цельноволоконного импульсного Tm-Но лазера определяются выбором концентрации легирующей примеси Tm и Но, добротности резонаторов и направлением вывода излучения сигнала цельноволоконного импульсного лазера. Вывод излучения сигнала Tm-Но импульсного лазера на длине волны 2078 нм через Tm активное волокно позволяет, с одной стороны усилить сигнал и дополнительно снять инверсию в Tm активном волокне, с другой стороны вызывает срыв непрерывной генерации на длине волны 1908 нм, запуская тем самым импульсный режим работы в цельноволоконном лазере.

Максимальная средняя мощность генерации Но лазера на длине волны 2078 нм составила 15 Вт. При частоте 125 кГц и длительности импульса 200 нс пиковая мощность составила 650 Вт. Перестройка частоты осуществляется изменением мощности накачки в диапазоне 50-125 кГц. Эффективность генерации составила 37%.

Полученное значение эффективности генерации является рекордным для всех известных в настоящее время типов волоконных гольмиевых лазеров. Стабильность работы, простота изготовления, цельноволоконная конструкция делают этот лазер перспективным источником накачки (задающим генератором лазера накачки) в системах конверсии излучения в оптический диапазон 3-5 мкм

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений, а именно получен цельноволоконный импульсный лазер с улучшенными характеристиками.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Лазер может применяться при обработке материалов, маркировке продукции, в медицине, при преобразовании частоты излучения. Цельноволоконный импульсный лазер состоит из коротковолнового лазера 1, резонатор которого образованного двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР) 2 и 3, и длинноволнового лазера 4, активная среда которого является насыщающимся поглотителем. В длинноволновом лазере 4 резонатор образован ВБР 5 и 6. Накаченный извне коротковолновый резонатор 1 является лазером накачки длинноволнового лазера 4. Коротковолновый и длинноволновый волоконные резонаторы расположены последовательно, при этом активное волокно коротковолнового лазера служит усилителем для выводимого излучения длинноволнового лазера. Выход лазера снабжен фильтром в виде участка активного волокна длинноволнового лазера. Технический результат - повышение эффективности и увеличение выходной мощности лазерного излучения. 3 ил.

Цельноволоконный импульсный лазер, содержащий два волоконных резонатора - коротковолновый и длинноволновый, являющиеся резонаторами соответственно коротковолнового и длинноволнового волоконных лазеров, образованных собственными парами волоконных брэгговских решеток, при этом накаченный извне коротковолновый резонатор является лазером накачки длинноволнового резонатора, коротковолновый и длинноволновый волоконные резонаторы расположены последовательно, а активное волокно коротковолнового лазера служит усилителем для выводимого излучения длинноволнового лазера, отличающийся тем, что выход лазера снабжен фильтром в виде участка активного волокна длинноволнового лазера.