Стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде Российский патент 2023 года по МПК H01S3/67 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в качестве узкополосного источника излучения, который может найти применение как источник лазерного излучения для таких технологий как, частотная рефлектометрия, волоконные линии связи, спектроскопия высокого разрешения, волоконные сенсорные системы и другие.

Известно два основных метода записи периодических структур в стандартных волокнах, первый - метод ультрафиолетовой записи, когда фоточувствительное волокно облучается через фазовую маску, и получает соответствующую модуляцию показателя преломления под фазовой маской.

И второй метод, который в последнее время все больше получает распространение - метод фемтосекундной записи периодических структур. Для такой записи не обязательно использовать специальные, фоточувствительные световоды. Этот метод позволяет создавать заданные структуры с любой периодичностью.

Таким образом открывается возможность взять любое стандартное оптическое волокно, и получить в нем необходимую структуру. Резонатор в оптоволокне, вследствие его малого диаметра, является чувствительным к различным видам воздействия и внешним факторам, таким как - перемещение оптического волокна, натяжение волокна, внешняя температура, неравномерный собственный нагрев. Полученные в свободном волокне резонаторы, малопригодны к использованию для промышленной эксплуатации. Параметры таких устройств зависят от перемещения устройства, а также нестабильны во времени.

Известно техническое решение, представленное в усовершенствованном лазере с распределенной обратной связью (M.I. Skvortsov, AA Wolf, AA Vlasov, KV Proskurina, AV Dostovalov «Advanced distributed feedback lasers based on composite fiber heavily doped with erbium ions», Scientific Reports 10 (1), 1-8) оптическое волокно, в котором находится резонатор лазера, располагалось на экспериментальном столе, без корпуса и без каких-либо систем стабилизации его состояния. Резонатор располагался на экспериментальном столе произвольным образом, был чувствителен к нагреву, точечному и общему, а также к деформации.

Недостатком известного технического решения являются высокие механические воздействия на резонатор внутри оптического волокна, низкие выходные параметры в перестраиваемом волоконном лазере, низкая стабильность во времени.

Известно техническое решение, представленное в решении для лазера на основе резонатора, произведенного методом фемтосекундной записи (M. I. Skvortsov, AA Wolf, AV Dostovalov, AA Vlasov, VA Akulov, SA Babin «Distributed feedback fiber laser based on a fiber Bragg grating inscribed using the femtosecond point-by-point technique», Laser Physics Letters, Volume 15, Number 3), выбранное в качестве прототипа, где оптическое волокно, в котором находится резонатор лазера, располагалось на экспериментальном столе, без корпуса и без каких-либо систем стабилизации его состояния.

Недостатком известного технического решения также являются высокие механические воздействия на резонатор внутри оптического волокна, низкие выходные параметры в перестраиваемом волоконном лазере, низкая стабильность во времени.

Известно техническое решение, представленное в перестраиваемом волоконном лазере (Патент США US20040156403 «Compression-tunable fiber laser and compression-resistant optical fiber for lasers», МПК G02B6/255; G02B6/42; H01S3/067; H01S3/10, опубликован 12.08.2004) и рассматривающее вопрос стабилизации резонатора в оптоволокне. Данное изобретение описывает волоконный световод с локально увеличенным диаметром, с расположенным в области резонатора. Увеличение диаметра световода, дает устойчивость к сжатию, и иным деформациям. И решает вопрос нестабильности структур в тонких оптических световодах. Резонатор в оптоволокне является чувствительным к различным видам воздействия и внешним факторам, таким как - перемещение оптического волокна, натяжение волокна, внешняя температура, неравномерный собственный нагрев. Приведенное техническое решение, исключает в значительной мере внешние механические воздействия на резонатор и позволяет сжимать резонатор для перестройки длины волны резонатора. Авторы патента говорят о возможности изготовления (записи периодической структуры) резонатора в утолщенном волокне, при использовании фоточувствительного волокна. При записи таким методом, используется фазовая маска, задающая шаг внутренней периодической структуры.

Недостатком известного технического решения является ограниченность у каждой фазовой маски. Кроме этого, подразумевается сложность технологии производства утолщенной части оптического световода по сравнению с готовыми стандартными оптическими волокнами.

Перед авторами стояла задача разработать стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде с низкой чувствительностью к различным видам воздействия и внешним факторам.

Поставленная задача решается тем, что в стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде, который содержит в корпусе оптически связанными источник накачивающего широкополосного лазерного излучения, волоконный световод, разветвитель, протяженный резонатор в волоконном световоде, выходной изолятор, при этом возвращающееся от протяженного резонатора в волоконном световоде лазерное излучение, отделяется посредством разветвителя, позволяющего вывести лазерное излучение из стабилизированного источника лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде, при этом стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде дополнительно оснащен подложкой, которая выполнена из теплопроводящего материала, капилляром, который выполнен из материала с коэффициентом температурного расширения равным коэффициенту температурного расширения волоконного световода и с возможностью заполнения капилляра теплопроводящей жидкостью, а протяженный резонатор в волоконном световоде выполнен размещенным в капилляре с возможностью жесткого фиксирования с противоположных сторон, с возможностью герметизации протяженного резонатора в волоконном световоде посредством заклейки торца протяженного резонатора, при этом капилляр, с размещенным в нем протяженным резонатором в волоконном световоде фиксируется на подложке, которая выполнена содержащей паз для погружения капилляра, заполненный жидкой теплопроводящей пастой, далее сверху подложка выполнена закрытой прижимом, который выполнен из легкодеформируемого материала, при этом капилляр выполнен с внутренним диаметром, превышающем диаметр оптического волокна с протяженным резонатором в диапазоне 0.05-0.01 мм, при этом капилляр выполнен в форме цилиндра либо капилляр выполнен в форме сегмента, либо капилляр выполнен в форме прямоугольника, капилляр выполнен в форме многоугольника.

Технический эффект заявляемого стабилизированного источника лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде заключается в повышении точности измерения, в повышении стабильности во времени, в уменьшении флуктуации интенсивности излучения.

Кроме того, заявляемое техническое решение позволяет работать с готовыми стандартными оптическими волокнами.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого стабилизированного источника лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде, где 1 - источник накачивающего широкополосного лазерного излучения, 2 - волоконный световод, 3 - разветвитель, 4 - протяженный резонатор в волоконном световоде , 5 - выходной изолятор, 6 - выход лазерного излучения.

На фиг. 2 представлена схема размещения капилляра на подложке а) подложка без прижима, б) подложка с прижимом, где 4 - протяженный резонатор в волоконном световоде, 7 - капилляр, 8 - подложка, 9 - паз, 10 - прижим.

На фиг. 3 представлен график флуктуации длины волны генерации лазерного излучения, где а - резонатор в капилляре, б - резонатор на столе.

Заявляемый стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде работает следующим образом: в корпусе располагаются оптически связанными источник накачивающего широкополосного лазерного излучения 1, волоконный световод 2, разветвитель 3, протяженный резонатор в волоконном световоде 4, выходной изолятор 5. Лазерное излучение заводится через источник накачивающего широкополосного лазерного излучения 1 в волоконный световод 2, проходит через оптический разветвитель 3, и проходит через протяженный резонатор в волоконном световоде 4, создавая в нем инверсию населенности уровней. Протяженный резонатор в волоконном световоде 4 выполнен в волоконном световоде 2 и записан УФ методом в фоточувствительном волокне. Созданный протяженный резонатор в оптоволокне, вследствие его малого диаметра, является чувствительным к различным видам воздействия и внешним факторам, таким как - перемещение оптического волокна, натяжение волокна, внешняя температура, неравномерный собственный нагрев. Полученные в свободном волокне протяженные резонаторы, малопригодны к использованию для промышленной эксплуатации. Параметры таких устройств зависят от перемещения устройства, а также нестабильны во времени. Поэтому перед авторами ставилась задача разработать стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде с низкой чувствительностью к различным видам воздействия и внешним факторам.

Далее из протяженного резонатора в волоконном световоде 4 в обе стороны выходит узкополосное излучение с длиной волны 1550 нм. Часть его совместно с остатками излучения накачки идет в выходной изолятор 5, а вторая часть, через разветвитель 3 выводится через выход лазерного излучения 6. Для предотвращения растяжения и сжатия протяженного резонатора в волоконном световоде 4, обусловленных различными температурными режимами, используется капилляр 7 из материала с коэффициентом температурного расширения (КТР) равным волоконному световоду 2. Протяженный резонатор в волоконном световоде 4 выполнен размещенным в капилляре 7 с возможностью жесткого фиксирования с противоположных сторон, и с возможностью герметизации протяженного резонатора в волоконном световоде 4 посредством заклейки каждого торца протяженного резонатора с выходящим из него волоконным световодом, например эпоксидным составом или иным со сходными свойствами веществом. Капилляр 7 должен быть с внутренним диаметром, превышающем диаметр оптического волокна с протяженным резонатором 4 с возможностью заполнения капилляра 7 теплопроводящей жидкостью, например, в диапазоне 0.05-0.01 мм. Что позволяет поместить протяженный резонатор в волоконном световоде 4 в капилляр 7, при этом сохранить его геометрию, и обеспечить теплоотвод. При увеличении зазора будет уменьшаться равномерность охлаждения и возможно изменение геометрии. Внешний диаметр капилляра 7, несколько миллиметров, значительно больше диаметра оптического волокна 0,125 мкм, что обеспечивает жесткость конструкции и предотвращает изгибы. Таким образом протяженный резонатор в волоконном световоде 4, помещенный в капилляр 7, уже не может изгибаться вследствие различных факторов. Использование капилляра 7 с коэффициентом температурного расширения равным коэффициенту температурного расширения волоконному световоду 2, позволяет герметизировать протяженный резонатор в волоконном световоде 4 в капилляре 7 и использовать при необходимости, заполнение зазора в капилляре теплопроводящей жидкостью.

При этом капилляр 7, с размещенным в нем протяженным резонатором в волоконном световоде 4 фиксируется на подложке 8, которая выполнена из теплопроводящего материала. Подложка 8 выполнена содержащей паз 9 для погружения капилляра 7, который заполнен жидкой теплопроводящей пастой. Далее сверху подложка 8 закрыта прижимом 10, который выполнен из легкодеформируемого материала, и обеспечивает постоянный зазор.

При изменении температуры в такой конструкции, изменение размеров теплопроводящей подложки 8, вследствие температурного расширения, не вызывает деформацию капилляра 7, поскольку жесткий капилляр 7 скользит по подложке 8. Коэффициент температурного расширения капилляра 7, равен коэффициенту температурного расширения помещенного внутрь его протяженного резонатора в волоконном световоде 4 и не вызывает его деформации при изменении температуры. Подложка 8 также изменяет свои размеры при изменении температуры и поэтому внутри корпуса крепится не жестким способом, для исключения передачи деформаций с корпуса. Если ее закрепить по всей длине жестко в корпусе с другим КТР, то при изменении температуры ее может изогнуть.

Таким образом протяженный резонатор в волоконном световоде 4 оказывается отвязан от температурных деформаций внешних деталей, а также равномерно охлаждается вдоль всей длины.

Поскольку теплопроводность кварца, из которого, например, изготовлено оптоволокно и капилляр ~1.38 Вт/(м⋅K) существенно меньше материалов тепловодной подложки 8, например, алюминия ~180 Вт/(м⋅K), то для достижения более равномерной температуры вдоль протяженного резонатора, мы должны приблизить его к теплопроводящей подложке, форма капилляра 7 может быть выполнена не круглой, а в виде сегмента, либо цилиндра, либо прямоугольника, либо многоугольника. Форма сегмента позволяет сократить расстояние от подложки до протяженного резонатора Фиг 2б при этом плоская часть капилляра 7 используется для передачи тепла на подложку 8. Плоская часть капилляра 7 делается таким образом, чтобы расстояние от подложки 8 до протяженного резонатора в волоконном световоде 4 было сравнимо с его диаметром, это позволит максимально эффективно охлаждать протяженный резонатор в волоконном световоде 4, и сохранить жесткость капилляра 7.

Таким образом, стабилизируя температуру подложки 8, организуется стационарный температурный режим протяженного резонатора в волоконном световоде 4. Управлять температурой подложки 8 можно различными методами, например водой, воздухом, или элементами пельтье. Дополнительно смещая значения поддерживаемой температуры, можно изменять характеристики протяженного резонатора в волоконном световоде 4 и смещать его спектр в длинноволновую или коротковолновую область.

Таким образом предложенное техническое решение позволяет работать с готовыми стандартными оптическими волокнами, и зафиксировать их, исключая механические воздействия на протяженный резонатор внутри оптического волокна, тем самым стабилизируя выходные параметры. Стабилизация источника лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде осуществляется за счет уменьшения флуктуации центральной длины лазерного излучения, уменьшения флуктуация интенсивности излучения. Шум, это флуктуации параметров излучения, длины волны и интенсивности, шум фактически дает уширение спектра. Чем уже ширина спектра, тем более на нее влияют различные внешние факторы, соответственно фактически, уширяя ее. Более узкая ширина спектра позволяет проводить более точные измерения. Заявляемое техническое решение также позволяет получить ширину линии генерации 1 kHz, и значения ее отклонения ~10 МГц и таким образом повысить точность измерения. На фиг. 3 показано сравнение флуктуации длины волны лазерного излучения фиг. 3 «б» когда резонатор располагают на рабочем столе и когда резонатор помещают в термостабилизированный капилляр фиг. 3 «а». При расположении резонатора на столе, флуктуация центральной длины волны лазерного излучения за три минуты составила 1400 МГц, в термостабилизированном капилляре ~15 МГц. Таким образом достигается технический эффект.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, к узкополосным источникам излучения. Протяженный резонатор в оптоволокне, вследствие его малого диаметра, является чувствительным к различным видам воздействия и внешним факторам, таким как перемещение оптического волокна, натяжение волокна, внешняя температура, неравномерный собственный нагрев. Для фиксирования оптического волокна был использован капилляр с внутренним диаметром, превышающим диаметр оптического волокна с протяженным резонатором, что позволяет поместить протяженный резонатор в капилляр, при этом сохранить его геометрию, и обеспечить теплоотвод. Использование капилляра с коэффициентом температурного расширения, равным коэффициенту температурного расширения оптического волокна, позволяет герметизировать протяженный резонатор в капилляре и использовать при необходимости, заполнение зазора в капилляре теплопроводящей жидкостью. Капилляр, с помещенным в него протяженным резонатором фиксируется на подложке из теплопроводящего материала с возможностью скольжения капилляра по подложке. Технический результат - повышение стабильности во времени, уменьшение флуктуации интенсивности излучения. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде, содержащий в корпусе оптически связанными источник накачивающего широкополосного лазерного излучения, волоконный световод, разветвитель, протяженный резонатор в волоконном световоде, выходной изолятор, при этом возвращающееся от протяженного резонатора в волоконном световоде лазерное излучение отделяется посредством разветвителя, позволяющего вывести лазерное излучение из стабилизированного источника лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен подложкой, которая выполнена из теплопроводящего материала, капилляром, который выполнен из материала с коэффициентом температурного расширения, равным коэффициенту температурного расширения волоконного световода и с возможностью заполнения капилляра теплопроводящей жидкостью, а протяженный резонатор в волоконном световоде выполнен размещенным в капилляре с возможностью жесткого фиксирования с противоположных сторон, с возможностью герметизации протяженного резонатора в волоконном световоде посредством заклейки торца протяженного резонатора, при этом капилляр, с размещенным в нем протяженным резонатором в волоконном световоде фиксируется на подложке, которая выполнена содержащей паз для погружения капилляра, заполненный жидкой теплопроводящей пастой, далее сверху подложка выполнена закрытой прижимом, который выполнен из легкодеформируемого материала.

2. Стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде по п. 1, отличающийся тем, что капилляр выполнен с внутренним диаметром, превышающим диаметр оптического волокна с протяженным резонатором в диапазоне 0.05-0.01 мм.

3. Стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде по п. 1, отличающийся тем, что капилляр выполнен в форме цилиндра.

4. Стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде по п. 1, отличающийся тем, что капилляр выполнен в форме сегмента.

5. Стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде по п. 1, отличающийся тем, что капилляр выполнен в форме прямоугольника.

6. Стабилизированный источник лазерного излучения с протяженным резонатором в волоконном световоде по п. 1, отличающийся тем, что капилляр выполнен в форме многоугольника.