СПОСОБ ВВОДА МОЩНОГО МНОГОМОДОВОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2022 года по МПК G02B6/42 

Изобретение относится к волоконно-оптической технике и предназначено для использования при создании источников дистанционного электропитания на базе световодов, лазерных медицинских аппаратов и других установок и устройств использующих системы передачи лазерного излучения через световод.

Известен способ ввода лазерного излучения в световод, в котором используется последовательно установленные на одной оптической оси лазер, линза и световод, закрепленный в юстировочное устройство. С помощью линзы формируется сходящийся пучок лазерного излучения, а световод располагается в фокусе линзы с использованием юстировочного устройства (С.И. Белов. Твердотельный лазер с отоволоконным выводом излучением для трансмиокардиональной лазерной реваскуарязации // Медицинская техника. 2011. N 1. С. 1-7).

Этот способ ввода излучения в световод обладает низкой надежностью при вводе мощного многомодового импульсного лазерного излучения в световод из-за ограниченной лучевой прочностью световодов и вследствие того, что в фокусе многомодового импульсного лазерного излучения возникают мощные локальные всплески интенсивного лазерного излучения, разрушающие торец световода. Кроме того, практическая реализация этого способа затруднена еще и тем, что линзу необходимо закреплять в юстировочное устройство, обеспечивающие юстировку и фокусировку фокального пятна и световод с микронной точность и поддерживать фиксацию этого положения в течение длительного времени, что очень проблематично.

Известно устройство для реализации этого способа, включающее последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные лазер, линза и световод, закрепленный в юстировочное устройство (С.И. Белов Твердотельный лазер с оптоволоконным выводом излучением для трансмиокардиональной лазерной реваскуарязации // Медицинская техника. 2011. N 1. С. 1-7).

Этот устройство ввода излучения обладает низкой надежностью ввода лазерного излучения в световод из-за того, что в фокусе многомодового импульсного лазерного излучения возникают мощные локальные всплески интенсивного лазерного излучения, разрушающие торец световода в силу ограниченной лучевой прочностью световодов. Кроме того, имеет место сложностью юстировки и фокусировки световода и фокального пятна лазерного излучения формируемого линзой и низкая надежность фиксации установленного положения.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности ввода мощного многомодового импульсного лазерного излучения в световод.

Задача, на решение которой направлено техническое решение достигается тем, что в известном способе ввода лазерного излучения в световод, по которому с помощью линзы, расположенной перед световодом, уменьшается диаметр лазерного излучения, и затем оно вводится в световод, лазерный пучок стеклянными пластинками, установленными по ходу распространения лазерного пучка и зеркалом, установленным после всех стеклянных пластинок, разделяется на равные части, далее каждая из частей вводится в блоки градиентных стержневых линз, число блоков стержневых линз равно числу частей, на которые разделяются лазерный пучок, каждая градиентная линза каждого блока соединена с одним из входов Y-ветвителя, и выводы всех Y-ветвителей каждого блока далее объединяются в один промежуточный световод и далее все выводы всех промежуточных световодов объединяются в один соединенный со световодом передающим все лазерное излучение, а диаметр лазерного луча и диаметр блока стержневых линз выбираются равными.

Также задача решается устройством для реализации способа, включающим последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные лазер, линзу, световод, закрепленный в юстировочное устройство, торец световода располагается в фокусе линзы, с использованием юстировочного устройства, в которое дополнительно введены 1,2,3…n -1 стеклянные делительные пластинки, зеркало, промежуточные световоды, вместо линзы использованы 1, 2, 3…n блоков градиентых стержневые линзы, для каждого блока градиентных стержневых линз дополнительно введены Y- ветвители, каждая из градиентных стержневых линз каждого блока стержневых линз соединена с входом Y-ветвителя, выходы которых также через Y-ветвители объединены и соединены со входами промежуточных световодов, выходы промежуточных световодов соединены со входами также дополнительно введенных промежуточных Y- ветвителей, выход последнего из которых соединен со световодом передающим все лазерное излучение, блок градиентных стержневых линз, Y- ветвители и световод расположены вплотную друг к другу, геометрические центры блоков стержневых линз располагается на оси частей лазерного излучения отведенных стеклянными делительными пластинками и зеркалом, передние поверхности блоков стержневых линз перпендикулярны частям лазерного излучения отведенных делительными пластинками и зеркалом, а диаметр лазерного луча и диаметр блока стержневых линз выбираются равными.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство содержит лазер 1, стеклянные пластинки 2, зеркало 3, блоки стержневых линз 4, Y- ветвители 5, промежуточные световоды 6, световод 7, кожух 8, штуцеры для подключения к системе охлаждения 9, волоконно-оптическое окно 10.

Стрелками показан ход световых лучей.

Способ осуществляется следующим образом.

При отсутствии напряжения на лазере 1 оптическое излучение в световоде 7 отсутствует.

При поступлении напряжения на лазер 1, его излучение, расчленяется делительными пластинками 2 и зеркалом 3 на отдельные пучки. Каждый из пучков, пройдя блок стержневых линз 4 и Y-ветвители 5, поступает в промежуточные световоды 6 и далее также через Y-ветвители, соединяющие выходы промежуточных световодов, в световод 7 передающий все лазерное излучение. Таким образом, с помощью делительных пластин 2, и зеркала 3, блоков стержневых линз 4, Y-ветвителей 5 и промежуточных световодов 6, формируются отдельные каналы, по которым передаются части лазерного излучения. Далее эти промежуточные световоды 6 также через Y- ветвители 5 объединяются в один световод 7, по которому и осуществляется передача всего лазерного излучения.

Блоки стержневых линз 4, Y-ветвители 5, промежуточные световоды 6 и часть световода 7 могут быть помещены в кожух 8, соединенный с системой прокачки охлаждающей жидкости или газа штуцерами 9. Это позволит обеспечить стабильную температуру элементов системы ввода лазерного излучения в световод, обеспечивая тем самых еще более высокую надежность системы ввода лазерного излучения в световод. Прокладку световода 7 через стенку кожуха 8 можно осуществить с помощью волоконно-оптического окна 10.

При практической реализации устройства, могут быть использованы: например стержневые линзы СТА-0119-1375 с диаметром 1,19мм и длиной 13,75мм; Y-ветвители со следующими характеристиками: коэффициент ответвления 50/50; вносимые потери <0,19 (класс А); неравномерность коэффициента ответвления - 0,1 дБ; производитель НПО «ИРЭ-ПОЛЮС».

Соединение входов Y-ветвителей со стрежневыми линзами или может быть следующим: вход Y-ветвителей расположен в штыревом разъеме (папа), на наконечнике разъема надета втулка со стержневой линзой; посадочные поверхности наконечника и втулки выполнены с соответствующей точностью.

Промежуточные световоды, световод передающий лазерное излучение - стандартные, кварцевые 125х50, NA=0,1.

Соединение выхода последнего У-ветвителя предлагаемого устройства со световодом передающим лазерное излучение может быть выполнено сваркой или с помощью оптических разъемов.

Делительные пластинки могут выполнены из кварцевого стекла или KBr если лазер на CO₂, или кварца для других лазеров, зеркало - из массивного параллелепипеда из нержавеющей стали один торец которого отполирован.

Соединение промежуточных световодов между собой и световодом, передающим лазерное излучение, может выполнено с помощью сварки.

В составе устройства вместо блоков стержневых линз могут быть использованы блоки фоконов. В составе этих блоков фоконов могут быть использованы например фоконы: длина 5 мм; диаметр 1,5 мм; числовая апертура 0,25; материал стекло ПЭГ101.

В качестве волоконно-оптического окна в предлагаемом устройстве может быть использовано волоконно-оптическое окно, конструкция которого описана в работе: И.Г. Кирин, А.М. Смоляк, Р.Г. Хакимжанов. Волоконно-оптические окна на основе световодов // Приборы и системы управления. 1984. N4. C.21.

Предлагаемый способ ввода лазерного излучения в световод и устройство для его осуществления позволяет существенно повысить надежность системы ввода мощного, импульсного, лазерного излучения в световод, сделать его более устойчивыми к воздействию мощного импульсного многомодового лазерного излучения. Это достигается путем снижения плотности мощности лазерного излучения на торце световода, передающего все лазерное излучение за счет того, что излучение лазера расчленяется на части два раза, один раз с помощью делительных стеклянных пластинок и зеркала, второй раз с помощью стержневых линз. Соответственно фокусировка излучения лазера в устройстве ввода исключается. Таким образом, интенсивность лазерного излучения в процессе его ввода в световод не увеличивается, а наоборот снижается.

Кроме того, благодаря тому, что диаметр лазерного луча и диаметр блока стержневых линз выбираются равными, и смещение их центров относительно друг друга хотя и описывается квадратичной зависимостью потерь от величины смещение их центров, их диаметры существенно больше единиц или десятков микрон (диметр сердцевины световодов и диаметр лазерного луча в фокусе линзы в прототипе). Соответственно, в предлагаемом устройстве нет необходимости в использовании юстировочного устройства обеспечивающего перемещение элементов схемы ввода лазерного излучения в световод с микронной точностью с последующей фиксацией положений этих элементов в течение длительного времени с такой же микронной точностью.

Изобретение относится к волоконно-оптической технике. Способ ввода лазерного излучения в световод и устройство, по которому с помощью линзы, расположенной перед световодом, уменьшается диаметр лазерного излучения, и затем оно вводится в световод, отличающийся тем, что лазерный пучок стеклянными пластинками, установленными по ходу распространения лазерного пучка, и зеркалом, установленным после всех стеклянных пластинок, разделяется на равные части, далее каждая из частей вводится в блок градиентных стержневых линз, число блоков стержневых линз равно числу частей, на которые разделяются лазерный пучок, каждая градиентная линза каждого блока соединена с одним из входов Y-ветвителя, и выводы всех Y-ветвителей каждого блока далее объединяются в один промежуточный световод, и далее все выводы всех промежуточных световодов объединяются в один соединенный со световодом, передающим все лазерное излучение, а диаметр лазерного луча и диаметр блока стержневых линз выбираются равными. Техническим результатом изобретения является повышение надежности ввода мощного многомодового импульсного лазерного излучения в световод. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ ввода лазерного излучения в световод, по которому с помощью линзы, расположенной перед световодом, уменьшается диаметр лазерного излучения, и затем оно вводится в световод, отличающийся тем, что лазерный пучок стеклянными пластинками, установленными по ходу распространения лазерного пучка, и зеркалом, установленным после всех стеклянных пластинок, разделяется на равные части, далее каждая из частей вводится в блок градиентных стержневых линз, число блоков стержневых линз равно числу частей, на которые разделяются лазерный пучок, каждая градиентная линза каждого блока соединена с одним из входов Y-ветвителя, и выводы всех Y-ветвителей каждого блока далее объединяются в один промежуточный световод, и далее все выводы всех промежуточных световодов объединяются в один соединенный со световодом, передающим все лазерное излучение, а диаметр лазерного луча и диаметр блока стержневых линз выбираются равными.

2. Устройство для реализации способа ввода лазерного излучения в световод по п. 1, включающее последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные лазер, линзу, световод, закрепленный в юстировочное устройство, торец световода располагается в фокусе линзы, с использованием юстировочного устройства, отличающийся тем, что дополнительно введены 1,2,3…n-1 стеклянные делительные пластинки, зеркало, промежуточные световоды, вместо линзы использованы 1, 2, 3… n блоков градиентых стержневых линз, для каждого блока градиентных стержневых линз дополнительно введены Y-ветвители, каждая из градиентных стержневых линз каждого блока стержневых линз соединена с входом Y-ветвителя, выходы которых также через Y-ветвители объединены и соединены со входами промежуточных световодов, выходы промежуточных световодов соединены со входами также дополнительно введенных промежуточных Y-ветвителей, выход последнего из которых соединен со световодом, передающим все лазерное излучение, блок градиентных стержневых линз, Y-ветвители и световод расположены вплотную друг к другу, геометрические центры блоков стержневых линз располагаются на оси частей лазерного излучения, отведенных стеклянными делительными пластинками и зеркалом, передние поверхности блоков стержневых линз перпендикулярны частям лазерного излучения, отведенным делительными пластинками и зеркалом, а диаметр лазерного луча и диаметр блока стержневых линз выбираются равными.

3. Устройство для осуществления способа ввода лазерного излучения в световод по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что блоки стержневых линз, Y-ветвители, промежуточные световоды и часть световода, передающего все излучение лазера, могут быть помещены в кожух, соединенный с системой прокачки охлаждающей жидкости или газа штуцерами, а прокладка световода, передающего все излучение лазера через стенку кожуха, осуществляется с помощью волоконно-оптического окна.

4. Устройство для осуществления способа ввода лазерного излучения в световод по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что вместо блока градиентных стержневых линз может использоваться блок фоконов.