ВОЛОКОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ СВИП-ГЕНЕРАТОР С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Российский патент 2023 года по МПК H01S3/63 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для организации лазерных линий связи и открытой космической оптической связи на основе лазера с качающейся частотой, называемого свип-генератором, с возможностью кодирования передаваемой информации.

1. Известен свип-генератор электромагнитных колебаний, частота (длина волны) которых автоматически меняется в определенных пределах [1]. Частота качается возле среднего значения, поэтому колебания носят название качающейся частоты. Название свип-генератора происходит от английского слова sweep, что в переводе означает «постоянное движение». Свип-генератор используется при настройке и измерении параметров радиотехнической аппаратуры, в которой регистрируют фазочастотные и амлитудно-частотные характеристики элементов устройств СВЧ. Свип-генератор позволяет получать качание частоты (длины волны) электромагнитных колебаний разных участков спектра, с диапазоном от нескольких мегагерц до сотен мегагерц. Характеристики исследуемых объектов можно изучать при помощи свип-генератора в совокупности с осциллографом.

Свип-генератор содержит частотный модулятор, задающий генератор, резонансный частотомер и систему авторегулирования мощности. Резонансный частотомер, или кварцевый калибратор, применяется при получении на экране осциллографа частотных меток. В последнее время наблюдается тенденция на совмещение в одном генераторе сразу нескольких устройств для компактности и многофункциональности. В частности, генератор сигналов может быть одновременно функциональным генератором, свип-генератором, частотомером и генератором импульсов. Свип-генератор, подключенный к микроволновой антенне, может быть использован как передатчик в системах радио- и космической связи [1].

Системы радиосвязи и космической связи со свип-генератором СВЧ-диапазона структурно подобны системам оптической связи, использующим электромагнитные колебания оптического диапазона обычно с применением лазеров, но обладают по сравнению с последними рядом недостатков. Связь с помощью лазерного луча более привлекательна по нескольким причинам. Направленность лазерного луча, которая определяется дифракцией, выражается через угол расходимости Φ=1,27λ_л/D_λ, где λ_л - длина волны излучения, D_λ - диаметр пучка в самом узком месте, либо внутри (перетяжка), либо на выходе резонатора. Выражение для расчета ушла расходимости применимо и для диаграммы направленности излучения микроволновой антенны диаметром D_м, работающей на длине волны λ_м. Чтобы микроволновый передатчик имел такую же расходимость как и лазерный, диаметр его антенны должен быть равен D_м=(λ_м/λ_л)/D_л. Если диаметр перетяжки 1 мм, то микроволновая антенна должна иметь диаметр 100 м, для достижения такой же направленности что и лазерная.

Другое преимущество лазерного пучка - это способность передачи информации в системах связи. Так количество информации, которое может переноситься электромагнитной волной за 1 с, пропорционально ширине полосы пропускания канала черно-белого телевидения, равной 4 МГц, т.е. может переноситься в 1000 раз больше информации, чем телефонным сигналом с шириной полосы 4 кГц. Например, ширина полосы лазера на стекле, активированного неодимом, который генерирует в режиме синхронизации мод импульсы длительностью 30 пс равна приблизительно 1/30 пс или 30 ГГц. Имея такую ширину полосы, можно передавать около 5 миллионов цветных изображений с помощью одного лазерного луча телевизионной ретрансляционной системой, имеющей ширину полосы 20 МГц. Таким образом, лазерную оптическую связь рассматривают как одну из перспективных линий связи, особенно в направлении использования оптических квантовых свип-генераторов с возможностью кодирования передаваемой информации.

Недостатком известного устройства является то, что микроволновый передатчик имеет большую расходимость пучка и для ее уменьшения требуется значительное увеличение диаметра антенны. Кроме того, количество информации, передаваемой посредством электромагнитной волны, пропорционально ширине полосы пропускания и составляет небольшую величину.

2. Известен оптический квантовый свип-генератор (лазер на красителях со светоиндуцированной распределенной обратной связью) [2].

В области пересечения двух интенсивных монохроматических лучей в прозрачной или поглощающей среде возникает интерференционная картина, которая вызывает пространственную модуляцию оптических параметров среды. В зависимости от обратимости изменений, происходящих в среде, получается голограмма (динамическая или стационарная, объемная или плоская).

Плоские голограммы-интерферограммы, получаемые в слоях голографической эмульсии, широко используются как дифракционные решетки и успешно применяются в спектральных приборах и резонаторах.

Дальнейшим шагом в технике перестройки частоты генерации лазеров было использование таких решеток в лазерах на красителях. При этом необходимо, чтобы рассеянные волны (при выполнении условий Брэгга) усиливались в активной среде.

В случае, если такая периодическая структура возникает за счет локальных изменений коэффициентов преломления и усиления, она может рассматриваться как резонатор с распределенной обратной связью (РОС).

В РОС-лазерах периодические изменения коэффициента преломления и усиления образуют систему полупрозрачных зеркал. Для участка спектра люминесценции, длины волн которого удовлетворяют равенству: Τ=mλ/2, где Τ - период одномерной структуры, а m=1, 2, 3 - порядок дифракции Брэгга, наиболее интенсивное рассеяние соответствует m=1.

Указанное условие приводит к тому, что в каждой точке периодической структуры волна, распространяющаяся направо, получает подпитку за счет брегговского рассеяния энергии от волны, идущей налево, и наоборот. Вследствие этого образуется обратная, связь, которая существует по всей длине активного элемента [3].

Численные оценки характеристик лазеров с распределенной обратной связью связаны с численным решением уравнений вида:

где γ - собственные значения постоянной распространения для заданных L и K. Для определенной длины активной среды L и константы связи K решения носят дискретный характер по коэффициенту усиления а и по связанной с ним приведенной частоте генерации δ.

Постоянная распространения γ определяет основные характеристики активной среды с распределенной обратной связью: спектр мод генерации, порог генерации, распределение интенсивности вдоль активной среды.

В процессе своего развития РОС-лазеры использовали преимущественно два типа активных сред: жидкие растворы органических красителей, размещенные в кювете, и твердые растворы органических красителей в различных типах стекол и полимерных материалов.

РОС-лазеры на базе «активной призмы» (фиг. 1) содержат: цилиндрическую телескопическую систему (ЦТС), с помощью которой излучение накачки, сформированное в полоску, подается на светоделитель R₁ и делится на два пучка. С помощью зеркал R излучение сводится на элемент с активной средой. Входная грань активного элемента находится в контакте с призмой из прозрачного диэлектрика. Одновременным разворотом зеркал R осуществляется изменение угла интерференции пучков накачки в активной среде; тем самым осуществляется перестройка длины волны генерации.

Схема, представленная на фиг. 1, реализована в серийно выпускаемом лазере типа «ГНОМ».

Широкое распространение получили также РОС-лазеры со светоиндуцированной обратной связью на базе «активной призмы», оптическая схема одного из которых приведена на фиг. 2.

В этом случае излучение накачки направляется на гипотенузную грань прямоугольной призмы. Одна из граней находится в контакте с генерирующим красителем. Часть излучения проникает в активное тело непосредственно, а другая часть - после отражения от противоположной катетной грани. Интерферируя внутри активной среды, пучки накачки создают условия для возникновения генерации на основе РОС, которая возникает в активной среде в результате нарушения полного внутреннего отражения на границе призмы.

Соотношение между длинами волн генерации и накачки задается уравнением:

где n_пр - коэффициент преломления материала призмы, а n_ас - активной среды, φ - угол преломления.

РОС-лазеры на красителях получили широкое распространение как источники, плавно перестраиваемые по спектру излучения. РОС-лазеры выгодно отличаются от обычных резонаторных устройств миниатюрностью размеров, простотой, удобством и надежностью в эксплуатации, способностью функционировать в частотном режиме без прокачки активной среды, возможностью получать перестраиваемые по спектру импульсы пикосекундной длительности как при пико- так и при наносекундной накачке. Коэффициент полезного действия (КПД) РОС-лазеров при ширине спектральной линии 0,01 нм достигает 50% и обычно значительно превышает КПД резонаторного лазера. И, наконец, для своего функционирования РОС-лазер не требует сложных устройств типа интерферометра Фабри-Перо или дифракционной решетки [4].

Недостатками РОС-лазеров, использующих жидкие растворы органических красителей, являются различные показатели преломления активной среды n_cр (жидкость) и призмы n_пр (твердое тело), что связано с отражением излучения накачки на границе. Кроме этого, изменение температуры у жидких сред на 1 градус больше, чем у твердых, что ведет к повышению чувствительности (нестабильности) длины волны генерации к изменению температуры окружающей среды. Качание (свипирование) длины волы излучения (частоты) активной среды на жидком растворе органического красителя в пределах спектра излучения использованного красителя осуществляется медленно и неудобно - поворотом двух зеркал (активная призма) или одним зеркалом (активный катет), изменяя угол падения излучения накачки с помощью микрометрических винтов.

3. Известен оптический квантовый свип-генератор, у которого активный элемент РОС-лазера выполнен в виде полимерного моноблока [5]. Использование активных элементов на основе эпоксиполимерных матриц в РОС-лазерах кроме обычных преимуществ, связанных с удобством в обращении с твердотельной матрицей, дает, по сравнению с раствором, возможность существенно повысить температурную стабильность спектральной линии генерации РОС-лазера.

Длина волны генерации РОС-лазера может быть определена из выражения:

где θ - угол падения излучения накачки на границу раздела призма - активный элемент; n_ас, n_пр - показатели преломления активной среды и призмы; λ_ген - длина волны излучения. В РОС-лазерах важным фактором, определяющим стабильность длины волны генерации, является температурное изменение показателя преломления активной среды и призмы. Изменение длины волны генерации при изменении температуры излучателя на ΔΤ, вызванное изменением показателей преломления, определяется формулой:

где Т - температура излучателя лазера.

В жидкостных РОС-лазерах основным источником температурной нестабильности является изменение показателя преломления раствора, порядок величины которого для стандартных растворителей приближенно равен 10^-4 град^-1. Это намного больше, чем у стекол, употребляемых в качестве материала призм (около 10^-5 град^-1). Использование в качестве активного элемента эпоксиполимера (ЭП) с внедренным красителем (dn/dT=6⋅10^-5 град^-1) позволяет повысить температурную стабильность длины волны генерации РОС-лазера по сравнению с этанолом (растворителем) почти на порядок.

Кроме того, как видно из формулы (4), при показателе преломления активного элемента, сравнимом (или одинаковым) с показателем преломления призмы, возникает взаимная компенсация изменения показателя преломления активного элемента и призмы, т.к. знак изменения dn/dT при одинаковом изменении температуры у большинства веществ одинаков.

Для изучения генерационных характеристик эпоксиполимеров, активированных красителями, в лазерах с РОС использовалась схема, приведенная на фиг. 3. Оптический контакт между призмой 10 из стекла марки ТФ5 и активным элементом из эпоксиполимера 12 осуществлялся посредством иммерсионной жидкости, в качестве которой был выбран глицерин. Активными элементами служили образцы из ЭП, активированные красителями родамином 6Ж, родамином С и оксазином 17, с размерами (10×15×3) мм и концентрацией красителя 10^-3 г/г. Накачка осуществлялась второй гармоникой АИГ: Nd³⁺-лазером с частотой повторения импульсов от 1 Гц до 25 Гц. Спектральная ширина линии накачки составляла 0,001 нм [6].

В этих условиях была получена генерация на основе РОС с частотой следования импульсов, повторяющей накачку. Ширина спектральной линии генерации составляла 0,04 нм. Диапазон перестройки (качание длины волны, частоты) РОС-лазера на основе родамина 6Ж - 554-604 нм, вокруг среднего значения 585 нм. Максимальный КПД на длине волны генерации 585 нм - 10%. Для родамина С диапазон перестройки вокруг среднего значения 628 нм оказался 605-667 нм. Максимальный КПД на длине волны 628 нм - 12%. Лазер на основе оксазина 17 перестраивался в пределах 635-672 нм и имел максимальный КПД равный 3% на средней длине волны 625 нм. Поляризация излучения РОС-лазера во всех случаях полностью совпадала с поляризацией излучения накачки. Приведенные характеристики РОС-лазеров были получены с использованием схемы измерений, представленной на фиг. 3, где 1 - источник оптической накачки (твердотельный лазер ИΑΓ:Νd³⁺); 2 - отражательное зеркало; 3 - калориметр; 4 -цилиндрическая линза; 5 - сферическая линза; 6 - светоделительное зеркало; 7-8 - линия задержки; 9 - отражательное зеркало; 10 - активная призма; 11 - отражательное зеркало; 12 - активная среда; 13 - светоделительное зеркало; 14 - отражательное зеркало; 15 - спектрограф дифракционный; 16 - интерферометр Фабри-Перо.

Был также реализован малогабаритный перестраиваемый лазер в виде цельного моноблока из ЭП. Призма была выполнена из неактивированного красителем ЭП. Поскольку внедрение красителя в эпоксиполимер практически не влияет на его показатель преломления, а склейка активного элемента (ЭП с красителем) и призмы осуществляется с помощью той же эпоксидной (кремнийорганической) смолы, то на границе раздела активного элемента и призмы полностью отсутствуют потери на отражение. Для уменьшения потерь на отражение от гипотенузной грани угол между нею и катетной гранью (в контакте с последней находится активный элемент) должен быть равен углу падения накачки на активный элемент, необходимому для получения генерации на основе РОС на длине волны, соответствующей середине диапазона перестройки генерации РОС-лазера. В случае нарушения условия полного внутреннего отражения на катетной грани, на нее наносится алюминиевое покрытие.

Существенным преимуществом данного лазера является повышенная температурная стабильность длины волны генерации. Температурное изменение показателя преломления у ЭП почти на порядок меньше; чем у стандартных растворителей, используемых в жидкостных лазерах на красителях.

Кроме того, устройство выполнено из материалов с одинаковым показателем преломления, что согласно формуле (4) устраняет зависимость длины волны генерации от показателя преломления. При нормальном падении излучения накачки на гипотенузную грань призмы зависимость длины волны генерации от температуры практически отсутствует.

Для повышения температурной стабильности длины волны генерации цельный моноблочный активный элемент целесообразно использовать в РОС-лазер, схема которого дана на фиг. 1 и фиг. 2. Если излучателем служила, например, призма-кювета, состоящая из камеры с жидким раствором красителя и равнобедренной прямоугольной призмой из стекла, то показатель преломления растворителя и материала призмы подбирается так, чтобы угол падения излучения накачки на границу раздела призмы и активного элемента, равный 45°, соответствовал длине волны генерации, лежащей в середине области перестройки данного красителя согласно формуле (5). Допустимое изменение данного угла должно было обеспечивать перекрытие указанной области перестройки. Поскольку замена стандартной призмы-кюветы на моноблок из ЭП устраняет зависимость длины волны генерации от разницы показателей преломления активного элемента и прозрачной призмы, то для получения нужного угла падения на активный элемент необходим соответствующий подбор угла β при основании треугольной призмы. Расчет угла β производится по формуле:

где n_пр - показатель преломления эпоксиполимерной призмы, n_ac - показатель преломления активного элемента.

При данных условиях накачки активный элемент из ЭП выдерживает 10⁴ импульсов накачки без заметного ухудшения генерационных параметров. Ширина зоны возбуждения составляет 0,5 мм. После замены рабочей зоны активный элемент полностью восстанавливает свои параметры.

Таким образом, активный элемент высотой 2 мм может сгенерировать 0,5⋅10⁶ импульсов при плотности мощности накачки 500 кВт/см² без заметного ухудшения генерационных характеристик.

Следует отметить, что при энергии накачки ~10 мДж (плотность мощности соответственно 10 мВт/см²) и частоте следования импульсов 12,5 Гц КПД, расходимость и спектральная ширина линии генерации РОС-лазера практически не изменялись. В то же время в РОС-лазере на жидком растворе красителя при указанном уровне накачки, без прокачки активной среды, генерация срывалась через 2-3 импульса. Это обусловлено лучшими термооптическими характеристиками ЭП по сравнению с этанолом.

На фиг. 4 приведены зависимости энергии (позиция 1) и КПД генерации (позиция 2) РОС-лазера от энергии накачки. Показано, что при изменении энергии накачки КПД характеризуется интенсивным ростом и наличием максимума, но обнаруживает тенденцию к уменьшению, связанную с насыщением усиления.

Энергия генерации в зависимости от энергии накачки непрерывно растет, обнаруживая тенденцию к насыщению при значительных энергиях накачки.

На фиг. 5 приведены спектральные характеристики РОС-лазера на основе активированного эпоксиполимера: позиция а) иллюстрирует интерферограмму линии генерации, позиция б) - микрофотограмму интерферограммы линии генерации, позиция в) - спектр генерации (в нанометрах) РОС-лазера на красителе, внедренном в эпоксиполимерную матрицу.

Таким образом, как показали проведенные исследования, связанные с использованием активированных красителями эпоксиполимеров для РОС-лазера, активные среды на основе ЭП являются лучшими из аналогичных отечественных материалов.

Разработанные на их основе РОС-лазеры могут найти эффективное применение при решении задач лазерного спектрального анализа, в частности, спектроскопии атомов и молекул, селективного возбуждения и детектирования отдельных атомных и молекулярных состояний, в оптических системах лазерной космической связи в виде оптических квантовых свип-генераторов, нагруженных на антенны.

Недостатком рассмотренного свип-генератора на базе РОС-лазера с использованием полимерного моноблока является то, что изменение угла падения излучения накачки осуществляется медленно, за счет поворота отражательного зеркала, который обеспечивается микрометрическими винтами. Кроме этого, в качестве источника накачки выбран лазер на стекле с неодимом, который для осуществления накачки моноблока должен работать с удвоителем частоты и в режиме модулированной добротности (в режиме синхронизации мод), что существенно усложняет систему, увеличивает габариты, массу, энергопотребление и экономические показатели свип-генератора.

В качестве прототипа устройства и наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является оптический квантовый свип-генератор на основе РОС-лазера с когерентной накачкой [7]. Оптический квантовый свип-генератор на базе лазера с распределенной светоиндуцированной обратной связью, содержащий активную среду, находящуюся в контакте с одной из катетных граней прямоугольной призмы, прямоугольную треугольную призму, когерентный источник накачки, оптическую систему, формирующую импульс накачки, состоящую из цилиндрической и сферической линз, и отражательное зеркало закрепленное на пьезоэлектрическом элементе в виде прямоугольной пластины, поляризованной по толщине и снабженной двумя электродами, расположенными перпендикулярно толщине пьезопластины, на которые от генератора подается электрическое синусоидальное напряжение противоположной полярности.

Активная среда в известном устройстве, выполнена в виде моноблока, из эпоксидианового полимера марки УП-612, активированного красителем родамином 6Ж (фиг. 6), где 1 - источник оптической накачки (ИАГ:Nd³⁺-лазер); 4 и 5 - цилиндрическая и сферическая линзы соответственно; 9 - отражательное зеркало; 17 - пьезопластина, совершающая изгибные колебания; 10 - активная призма; 12 - активная среда; 18 - алюминиевое покрытие; 19 - генератор синусоидального электрического напряжения.

Входная грань активной среды 12 находится в контакте с призмой 10, выполненной из эпоксидианового полимера марки УП-612 без красителя и имеющей на катете металлическое покрытие 18. Часть излучения накачки проникает в активную среду 12 непосредственно, а другая часть - после отражения от противоположной катетной грани 18. Интерферируя внутри активной среды 12, пучки накачки создают условия для возникновения генерации на основе РОС.

Длина волны генерации РОС-лазера определяется из выражения:

где: λ_нак - длина волны излучения накачки, в рассматриваемом случае равна 532 нм, n_ас - показатель преломления активной среды, n_пр - показатель преломления призмы, θ - угол падения пучков накачки на активную среду. При n_ас=n_пр, длина волны генерации обратно пропорциональна sinθ. Для уменьшения потерь на отражение от гипотенузной грани, угол между гипотенузной гранью и катетной гранью, к которой примыкает активная среда 12, должен соответствовать средней длине волны диапазона перестройки данного красителя. Для родамина 6Ж, средняя длина волны перестройки составляет λ_ген=585 нм, а θ=arcsin(λ_нак/λ_ген). Для обеспечения полного внутреннего отражения на вторую катетную грань наносится алюминиевое покрытие. При ширине спектра генерации 50 нм на уровне 0,5 пределы изменения угла должны находится в диапазоне:

Обеспечение изменения угла падения излучения накачки осуществляется за счет поворота зеркала 9 в пределах от θ_min до θ_max.

Для этого отражательное зеркало 9 закрепляется на прямоугольной пьезокерамической пластине 17, поляризованной по толщине и имеющей на противоположных сторонах по два металлических электрода, соединенных с генератором электрических синусоидальных сигналов. При этом на каждую пару электродов подается электрическое напряжение противоположной полярности, что обеспечивает изгибные колебания пьезопластины и отражательного зеркала на резонансной частоте пластины, например, на частоте около 100 кГц.

Таким образом, перестройка (качание) длины волны генерации в разработанном свип-генераторе происходит со скоростью 10⁵ раз в секунду и может управляться путем изменения частоты электрического сигнала. В этих условиях наблюдается генерация с частотой следования импульсов, повторяющих накачку. КПД лазера на длине волны генерации, равной 585 нм, достигает 12% для родамина 6Ж.

Недостатком прототипа является использование в качестве источника накачки твердотельного ИАГ:Nd³⁺-лазера с умножителем частоты и с модулированной добротностью, который имеет большие габариты, массу и высокое энергетическое потребление, что существенно усложняет использование оптического квантового свип-генератора на базе РОС-лазера в системах (передатчиках) космической лазерной связи. Кроме того, недостатком также является низкий КПД накачки и низкое оптическое качество стимулированного излучения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества лазерного излучения при организации оптических линий связи.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании оптического канала связи на основе волоконного оптического квантового свип-генератора с положительной распределенной обратной связью с высоким КПД преобразования и высоким оптическом качеством стимулированного излучения.

Сущность изобретения заключается в том, что РОС-лазер, содержащий активную среду, находящуюся в контакте с одной из катетных граней прямоугольной треугольной призмы, треугольную прямоугольную призму, когерентный источник накачки, оптическую систему, формирующую импульс накачки, содержащую цилиндрическую и сферическую линзы и отражательное зеркало, закрепленное на пьезоэлектрическом элементе в виде прямоугольной пьезопластины, поляризованной по толщине и снабженной двумя парами электродов, на которые от генератора подается электрическое синусоидальное напряжение противоположной полярности, что обеспечивает изгибные колебания пластины и закрепленного на ней зеркала и позволяет изменять угол падения излучения накачки в активной среде моноблока с родамином Ж с необходимой скоростью и обеспечивает качание длины волны излучения активной среды в пределах стимулированного излучения красителя родамина Ж, отличающийся тем, что с целью получения стимулированного излучения высокого оптического качества и высокого КПД преобразования активная среда в моноблоке выполнена в виде полимерного активного волокна, находящегося в контакте с одной из катетных граней прямоугольной треугольной призмы, с сердцевиной на основе эпоксидных или циклоалифатических олигомеров, активированных органическими красителями и отвержденных мелкодисперсными стеклянными порошками с удельной поверхностью активированной реакционноспособными группами, а для создания периодической структуры в сердцевине волокна, излучение накачки от полупроводникового лазера, отраженное от зеркала на пьезопластине, направляется посредством оптического клина на гипотенузную грань прямоугольной треугольной призмы, изготовленную по технологии сердцевины волокна из эпоксидианового или циклоалифатического олигомеров но без красителей, а излучением из призмы производят накачку сердцевины волокна, управляя качанием длины волны излучения свип-генератора путем изменения угла падения излучения накачки в пределах полосы излучения используемого красителя. На фиг. 7а приведена структурная схема волоконного оптического квантового свип-генератора с распределенной обратной положительной связью.

Волоконный оптический квантовый свип-генератор содержит когерентный источник накачки - полупроводниковый лазер с диодной накачкой 20 и длиной волны генерации 532 нм, цилиндрическую линзу 4, сферическую линзу 5, отражательное зеркало 9, пьезокерамическую прямоугольную пластину 17, моноблок на базе прямоугольного катета, у которого активная призма 10 изготовлена, например, из кремнийорганического полимера марки УП-612 без красителя, а активная среда выполнена из активного волокна 21, сечение которого (в контакте с гранью призмы 10) представлено на фиг. 7б.

Сердцевина 23 активного волокна 21 изготовлена из кремнийорганического полимера марки УП-612 с красителем (равенство показателей преломления). На катете призмы нанесено алюминиевое покрытие 18. Позицией 19 показан генератор синусоидальных электрических сигналов. Позицией 22 показан оптический клин для направления излучения накачки от полупроводникового лазера на различные моноблоки.

Для изготовления сердцевины 23 активного волокна 21 в олигомер марки УΠ-612 добавляют краситель родамин Ж в молярном соотношении 1:1-5, нагревают до температуры 60-150°С и выдерживают 2-48 часов. В результате образуется концентрат, в котором родамин Ж химически подшит к макромолекуле олигомера. Полученный концентрат разбавляют неокрашенным олигомером для получения нужной концентрации. Затем путем подбора стеклообразующих окислов выбирают стекло с коэффициентом преломления близким к коэффициенту преломления эпоксидного олигомера марки УП-612, у которого коэффициент преломления n=1.501. Мелкодисперсный стеклянный порошок получают путем первоначального дробления в ступке, с последующим размалыванием в шаровой мельнице и просеиванием через сито с размером ячейки 10 мкм. Удельная поверхность такого стекла составляет 100-200 см²⋅см^-3, что обеспечит возможность подшивки необходимого количества реакционных групп и высокую степень полимеризации активированного красителем олигомера. Далее проводят химическую активацию поверхности стекла группами - СООН (для красителей родамин Ж и оксазин 17). Для этого стекло вакуумируют при давлении 0,1 Бар и температуре 200°С в течение 3 часов. Затем через него пропускают ток азота с парами щавелевой кислоты при 180°С в течение 6-8 часов для удаления физически адсорбированной кислоты. Для отверждения активированного красителем родамином Ж эпоксиолигомера, например, марки УΠ-612, полученное стекло смешивают с олигомером и размещают внутри полой трубки (преформы) 24 в вязко-текучем состоянии, вакуумируют, нагревают полученную композицию до 160°С и проводят отверждение в течение 5 часов. Трубку 24 и активную прямоугольную треугольную призму 10 предварительно изготавливают из олигомера марки УΠ 612 без красителя и отверждают мелкодисперсным стеклом с активированной поверхностью для уравнивания показателей преломления прямоугольной треугольной призмы 10 и трубки (преформы) 24. Внутренний диаметр сердцевины волокна может иметь размеры 50; 62,5; 120 и 980 мкм при наружном диаметре трубки 24 и оболочки 25-490 и 1000 мкм. Абсолютный показатель преломления сердцевины волокна всегда можно сделать выше показателя преломления оболочки 25, изменяя количество и состав стеклообразующих окислов. Таким образом формируют волокно для волоконного оптического свип-генератора, в котором сердцевина 23 представляет собой термореактивное высокомолекулярное эпоксиполимерное соединение, образующее по своей структуре статистически пространственную сетку, в которой квазирегулярно размещены молекулы красителей. Конструктивно волокно 21 соединено с активной призмой 10 и представляет собой моноблок волоконного свип-генератора [8].

Волоконный оптический квантовый свип-генератор работает следующим образом. Излучение накачки от полупроводникового лазера с диодной накачкой (длина волны изучения 532 нм), сформированное в полоску цилиндрической 4 и сферической 5 линзами с помощью отражательного зеркала 9 сводится на сердцевину 23 волокна 21 через гипотенузную грань призмы 10 моноблока. Часть излучения накачки проникает в сердцевину 23 непосредственно, а другая часть - после отражения от противоположной катетной грани 18. Интерферируя внутри сердцевины 23 волокна 21, накачкой создаются условия для возникновения периодической структуры в сердцевине и генерации на основе РОС. Длина волны генерации λ_ген определяется из выражения λ_ген=λ_нак/sinα, где λ_нак - длина волны излучения накачки сердцевины 23 моноблока, α - угол падения излучения накачки (при равенстве показателей преломления активной призмы 10 и активного волокна 21). Для уменьшения потерь на отражение от гипотенузной грани 18, угол между гипотенузной и катетной гранью, к которой примыкает активное волокно 21, должен соответствовать средней длине волны диапазона перестройки красителя моноблока. Для моноблока с родамином Ж средняя длина волны перестройки, вокруг которой происходит качание λ=585 нм, ширина спектральной линии генерации 0,04 нм, диапазон перестройки (качания) 554-604 нм. Скорость качания приближенно равна 10² Гц. Концентрация красителя родамина Ж - 10^-3 г/г. Пределы изменения угла должны находится в диапазоне α_min=arcsin(532/554), α_max=arcsin(532/604), КПД накачки составляет 35-45%. Для моноблока с оксазином 17 средняя линия генерации - 625 нм, диапазон перестройки (качания) длины волны генерации 635-672 нм, концентрация красителя – 10^-3 г/г, КПД накачки от полупроводникового лазера составляет 35-45%. Для моноблока с родамином С средняя линия генерации - 610 нм, диапазон перестройки 605-667 нм, концентрация красителя – 10^-3 г/г, КПД накачки от полупроводникового лазера составляет также порядка 35-45%. Для родамина С (отвердитель) мелкодисперсное стекло активируется реакционноспособными группами -OHTiCl₄ (с учетом солевой формы красителя) [8]. Обеспечение изменения угла падения излучения накачки осуществляется за счет качания зеркала 9, закрепленного на пьезопластине, поляризованной по толщине и имеющей на противоположных сторонах по два металлических электрода, соединенных с генератором синусоидальных электрических сигналов 19. При этом на каждую пару электродов подается электрическое напряжение противоположной полярности, что обеспечивает изгибные колебания пластины и зеркала. При использовании нескольких моноблоков с различными красителями предусмотрено переключение излучения накачки на следующие друг за другом моноблоки посредством оптического клина 22, который направляет излучение от качающего зеркала на пьезопластине к выбранному моноблоку. Последовательность накачки моноблоков производится вариативно.

Таким образом, перестройка длины волны излучения в волоконном свип-генераторе происходит с большой скоростью и может управляться путем изменения частоты электрического сигнала, подаваемого на пьезопластину, практически во всем видимом диапазоне длин волн. Подключенный к антенне волоконный оптический квантовый свип-генератор с распределенной обратной положительной связью может быть использован как передатчик в системах открытой оптической и космической лазерной связи. Выполненный на базе РОС-лазера с накачкой от полупроводникового лазера предлагаемый волоконный свип-генератор представляет четырехуровневую систему, у которой фотон накачки возбуждает переход из основного состояния S₀ в возбужденное S₁, а излучение связано с расселением S₁ на уровень S₀. Такой механизм вынужденного излучения хорошо работает при накачке полупроводниковым лазером и приводит к высокой эффективности преобразования фотонов, а также к надежной и простой компоновке, в которой отсутствует дискретная оптика, требующая юстировки и выравнивания. КПД преобразования источника накачки - полупроводникового лазера (электрический сигнал в оптический достигает 50-70% при суммарном КПД накачки волоконного свип-генератора 35-45%. Сердцевина предложенного состава в волокне свип-генератора обладает взаимной химической индифферентностью и характеризуется высокими значениями теплопроводности - 0,71-0,75 Вт⋅K^-1⋅м^-1, лучевой прочности и высокими адгезионными свойствами, что важно при формировании в моноблоке бездефектной границы между волокном и активной призмой. Излучение имеет высокое оптическое качество, так как генерация происходит непосредственно в сердцевине волокна, что особенно важно при использовании свип-генератора в системах космической лазерной связи.

Решение задачи позволяет увеличить КПД преобразования и в целом повысить оптическое качество стимулированного излучения при организации оптических линий связи.

Рассмотренные материалы подтверждают реализуемость предлагаемого изобретения.

В располагаемых источниках информации не обнаружено устройств, содержащих в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения. Следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Наличие новых существенных признаков совместно с известными и общими с прототипом позволило создать новое изобретение - волоконный оптический квантовый свип-генератор с положительной распределенной обратной связью.

Источники информации

[1]. Энциклопедия техники. Лазер // URL: https://enciklopediya-tehniki.ru/lazer.html (дата обращения: 10.03.2022).

[2]. Рубинов А.Н., Эфендиев Т.Ш. Лазеры на красителях со светоиндуцированной обратной связью // Квантовая электроника, 1982. - Т.9. - №12. - С. 80-89.

[3]. Kogelnic Η., Shank C.V. Stimulated enission in aperiodic structure. - Appl.Phys, Lett, 1971. - 18. - №4. - p. 152-155.

[4]. Катаркевич B.M., Рубинов A.H., Эфендиев Т.Ш. // IV Конгресс физиков Беларуси: Сб. трудов. Минск, 2013. С. 84-85

[5]. Костенич Ю.В., Рубинов А.Н., Пактер М.К., Парамонов Ю.М., Поляков В.Е., Эфендиев Т.Ш. Перестраиваемый лазер с распределенной обратной связью на основе эпоксидной смолы, активированной красителем. Кн. 4 - Всесоюзн. конф. Новосибирск: (1983)296-297.

[6]. Борткевич А.В., Гейдур С.Α., Кузнецов А.Р., Поляков В.Е. Твердотельные активные среды на основе эпоксиполимерных матриц, активированных красителями // Журнал прикладной Спектроскопии, 1989. - Т. 50. - №2. - С. 210-216.

[7]. Патент на полезную модель №6948 (1998) Лазер с распределенной обратной связью Потапов А.И., Поляков В.Е., Поляков Е.В.

[8]. Пат. RU 2715085 C2 Российская Федерация, Активная среда для волоконных лазеров и способ ее изготовления / Поляков В.Е., Шосталь В.Ю., Закутаев А.А., Широбоков В.В. - №2018124182; заявл. 02.07.2018; опубл. 25.02.2020, бюл. №6.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный оптический квантовый свип-генератор с положительной распределенной обратной связью, содержащий активную среду в виде полимерного активного волокна, сердцевина которого выполнена на эпоксидном или циклоалифатическом олигомере, активированном молекулами органических красителей и отвержденном мелкодисперсными стеклянными порошками с удельной поверхностью, активированной реакционно-способными группами. Волокно находится в контакте с катетной гранью прямоугольной призмы. Свип-генератор содержит источник накачки, оптическую систему накачки, состоящую из цилиндрической и сферической линз, и отражательное зеркало, закрепленное на пьезоэлектрическом элементе в виде прямоугольной пластины, поляризованной по толщине и снабженной двумя электродами, на которые от генератора подается напряжение противоположной полярности, обеспечивая качание отражательного зеркала и изменение угла падения излучения накачки. Излучение накачки от зеркала на пьезопластине направляется через оптический клин на гипотенузную грань призмы для накачки сердцевины волокна. Технический результат - повышение качества излучения. 7 ил.

Волоконный оптический квантовый свип-генератор на базе лазера с положительной распределенной обратной связью, содержащий активную среду на полимере, активированном органическими красителями, находящуюся в контакте с одной из катетных граней прямоугольной призмы, прямоугольную треугольную призму, когерентный источник накачки активной среды, оптическую систему, формирующую импульс накачки, состоящую из цилиндрической и сферической линз, и отражательное зеркало, закрепленное на пьезоэлектрическом элементе, в виде прямоугольной пластины, поляризованной по толщине и снабженной двумя парами электродов, расположенными на противоположных сторонах пьезопластины, на которые от генератора подается синусоидальное электрическое напряжение противоположной полярности, что вызывает изгибные колебания пьезопластины и отражательного зеркала и позволяет управлять углом падения излучения накачки, отличающийся тем, что с целью получения стимулированного излучения высокого оптического качества и высокого КПД преобразования активная среда выполнена в виде полимерного активного волокна, сердцевина которого на основе эпоксидного или циклоалифатического олигомеров, активированных органическими красителями и отвержденных мелкодисперсными стеклянными порошками с удельной поверхностью, активированной реакционно-способными группами, находится в контакте с одной из катетных граней прямоугольной треугольной призмы, а для создания периодической структуры в сердцевине волокна излучение накачки от полупроводникового лазера, отраженное от зеркала на пьезопластине, направляется посредством оптического клина на гипотенузную грань прямоугольной треугольной призмы, через которую накачивается сердцевина волокна, расположенная в полимерной трубке, называемой преформой, а качание длины волны излучения свип-генератора в пределах полосы генерации красителя осуществляется путем изменения угла падения излучения накачки на гипотенузную грань призмы, через которую накачивается сердцевина, при этом прямоугольная треугольная призма и волновод накачки, в которой расположена сердцевина, имеют равный по величине коэффициент преломления, но несколько меньший, чем коэффициент преломления сердцевины.