Компактный одночастотный линейно-поляризованный волоконный источник излучения (варианты) Российский патент 2024 года по МПК H01S3/67 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к одночастотным линейно-поляризованным волоконным лазерам с распределенной обратной связью, которые могут найти применение в спектроскопии, волоконно-оптической связи, в лазерной локации, в области волоконных датчиков, как в виде источников излучения, так и в качестве чувствительных элементов.

Известно техническое решение для реализации одночастотного волоконного лазера на основе эрбиевого световода, представленное в статье (Loh W. H., Laming R. I. 1.55 μm phase-shifted distributed feedback fibre laser // Electr. Lett. - 1995. - Vol. 31, no. 17. - Pp. 1440-1442). В качестве резонатора использовалась волоконная брэгговская решётка (ВБР) с фазовым сдвигом, изготовленная в эрбиевом световоде длиной в 10 см. Была продемонстрирована генерация на длине волны 1550 нм с шириной линии 13 кГц. Выходная мощность составила 1,2 мВт при 120 мВт накачки.

Недостатком данного технического решения является неоптимальное использование остаточной накачки: для усиления использовался низколегированный световод малой длины. Таким образом, большая часть накачки проходило через световод не поглотившись, что привело к низкой выходной мощности сигнала. Также из-за неизбежного двулучепреломления в волокне (порядка 10⁻⁶) возникает генерация двух ортогональных поляризационных мод, что также представлено в работе.

Известно техническое решение для реализации одночастотного волоконного лазера на основе эрбиевого световода, представленное в работе (Bartolo R. E., Cranch G. A., Kirkendall C. K. The nature of the polarization beat frequency as a function of twist for DFB fiber lasers // Advances in Fiber Lasers (Photonics West 2003: High-Power Lasers and Applications, 27 Jan 2003 San Jose, CA, USA) / Ed. by L. N. Durvasula. - Vol. 4974 of Proc. SPIE. - SPIE, 2003. - Pp. 96-105.) В данной работе проводилось исследование подавления поляризационных мод за счёт скручивания волокна вокруг продольной оси. Было показано, что величина сигнала биения поляризационных мод монотонно уменьшается в зависимости от угла поворота. Для углов менее 700 градусов на длине 20 см, величина сигнала может быть подавлена на величину более чем в 100 раз.

Недостатком данного технического решения является негативное воздействие на волоконный световод, способное приводить к поломке резонатора. Также использование дополнительных конструктивов для кручения и фиксации волоконного световода значительно усложняют конфигурацию лазера, а также данные манипуляции приводят к разрыву волокна-поломке резонатора.

Известно техническое решение для реализации одночастотного волоконного лазера на основе 9 см отрезка иттербиевого световода, представленное в статье (Babin S A, Churkin D V, Ismagulov A E, Kablukov S I and Nikulin M A Single frequency single polarization DFB fiber laser 2007 Laser Phys. Lett. 4 428-32). В качестве резонатора использовалась 4 см ВБР с фазовым сдвигом. Из-за неравномерного поглощения накачки в иттербиевом световоде происходит чирпирование ВБР. Данный эффект возникает при мощности значительно выше мощности накачки, который приводит к уменьшению коэффициента отражения и отсутствию генерации для одной из поляризационных мод.

Недостатком данного технического решения является достижение генерации для одной поляризационной моды только в определенном режиме - когда значение накачки много больше порогового. При термостабилизации такой системы будет возникать генерация двух ортогональных поляризационных мод.

Известно техническое решение для реализации одночастотного волоконного лазера на основе эрбий-иттербиевого волокна, представленное в работе (Ibsen M., Rønnekleiv E., Cowle G. J. et al. Robust high power ( > 20 mW) all-fibre DFB lasers with unidirectional and truly single polarisation outputs // Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO 1999), 23-28 May 1999, Baltimore, MD, USA. - 1999. - Pp. 245-246. - Paper CWE4.) В качестве резонатора использовалась 5 см ВБР с фазовым сдвигом, сила которой отличалась для двух поляризаций. Данный эффект достигался за счет того, что поляризация пучка ультрафиолетового (УФ) лазера, используемого для изготовления структуры ВБР, была перпендикулярно ориентирована относительно оси волокна. Таким образом, в направлении для одной из осей значение наведенного показателя преломления было больше, что соответственно сказывалось на силе ВБР для одной из поляризаций. Была продемонстрирована генерация с одной поляризационной модой на длине волны 1550 нм. Выходная мощность составила 20 мВт при мощности накачки 110 мВт на длине волны 980 нм.

Недостатком данного технического решения является сложность расположения световода при изготовлении структуры, так как необходимы дополнительные метки чтобы определить направление поляризации лазера и более прецизионные компоненты для точной фиксации световода, что значительно усложняет процесс изготовления резонатора.

Известно техническое решение для реализации одночастотного волоконного лазера на основе эрбиевого волокна, представленное в статье (Skvortsov, M. I. et al. Distributed feedback fiber laser based on a fiber Bragg grating inscribed using the femtosecond point-by-point technique. Laser Phys. Lett. 15, 35103 (2018)), выбранная в качестве прототипа. В данной работе резонатора в виде 3,2 см ВБР с фазовым сдвигом был изготовлен в эрбиевом световоде с применением фемтосекундной (фс) методики записи. Полученная ВБР имеет различную силу для поляризационных компонент, ввиду особенностей фемтосекундной методики. Относительно сильное двулучепреломление (10^-5- 10^-4) свойственно структурам, изготовленным с применением фемтосекундной методики, что в свою очередь сказывается на селекции поляризационных мод. Была продемонстрирована генерация на длине волны 1550 нм с шириной линии 17 кГц. Выходная мощность составила 700 мкВт при мощности накачки 525 мВт на длине волны 976 нм. Во всём диапазоне накачки наблюдалась генерация единственной поляризационной моды.

Недостатком данного технического решения является неоптимальное использование остаточной накачки: в конфигурации не используется волокно для предусиления или дополнительных оптических компонент, чтобы использовать остаточную накачку для усиления. Большая часть накачки проходило через световод не поглотившись, что привело к низкой выходной мощности сигнала.

Перед авторами ставилась задача разработать компактный одночастотный линейно-поляризованный волоконный источник излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом, изготовленной в активном оптическом световоде, не сохраняющем поляризацию.

Поставленная задача решается тем, что по первому варианту в компактный одночастотный линейно-поляризованный волоконный источник излучения который содержит последовательно соединенные полупроводниковый источник накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом, первый спектрально-селективный разветвитель, который выполнен на основе оптического волокна с сохранением поляризации, резонатор, активный оптический световод, выполненный на основе оптического волокна с сохранением поляризации, оптический изолятор на основе волокна с сохранением поляризации, выполненный без блокировки одной поляризационной оси оптического излучения, выходной коннектор дополнительно включен второй спектрально-селективный разветвитель, который расположен после резонатора и выполнен без блокировки одной поляризационной оси оптического излучения на основе оптического волокна с сохранением поляризации с возможностью заведения в активный оптический световод остаточного оптического излучения полупроводникового источника накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом из первого спектрально-селективного разветвителя, а резонатор выполнен в активном оптическом световоде без сохранения поляризации излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом посредством импульсного излучения фемтосекундного лазера в оптическом волокне.

По второму варианту в компактный одночастотный линейно-поляризованный волоконный источник излучения, который содержит последовательно соединенные полупроводниковый источник накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом, первый спектрально-селективный разветвитель, который выполнен на основе оптического волокна с сохранением поляризации, резонатор, активный оптический световод, выполненный на основе оптического волокна с сохранением поляризации, оптический изолятор на основе волокна с сохранением поляризации, выходной коннектор дополнительно включен второй спектрально-селективный разветвителем, который расположен после резонатора и выполнен с блокировкой одной поляризационной оси оптического излучения на основе оптического волокна с сохранением поляризации с возможностью заведения в активный оптический световод остаточного оптического излучения полупроводникового источника накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом из первого спектрально-селективного разветвителя, при этом резонатор выполнен в активном оптическом световоде без сохранения поляризации излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом посредством УФ излучения, при этом оптический изолятор на основе оптического волокна с сохранением поляризации выполнен с блокировкой одной поляризационной оси оптического излучения, а первый спектрально-селективный разветвитель выполнен с блокировкой одной поляризационной оси.

Техническим эффектом заявляемого устройства является усиление единственной поляризационной компоненты одночастотного излучения, увеличение выходной мощности излучения до значений более 20 мВт с использованием одного источника накачки.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства линейно-поляризованного одночастотного источника излучения на основе распределенной обратной связи в виде ВБР с фазовым сдвигом, где 1 - полупроводниковый источник накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом с/без блокировки одной поляризационной оси, 2 - первый спектрально-селективный разветвитель, 3 - резонатор, 4 - второй спектрально-селективный разветвитель, 5 - активный оптический световод, 6 - оптический изолятор на основе оптического волокна с сохранением поляризации, 7 - выходной коннектор.

На фиг. 2 представлен радиочастотный спектр биения компактного одночастотного линейно-поляризованного волоконного источника излучения на основе резонатора, изготовленного посредством УФ излучения, где 8 - конфигурация с компонентами без блокировки одной поляризационной оси, 9 - конфигурация с компонентами с блокировкой одной поляризационной оси.

На фиг. 3 представлен оптический спектр генерации компактного одночастотного линейно-поляризованного волоконного источника излучения на основе резонатора, изготовленного посредством УФ.

На фиг. 4 представлен радиочастотный спектр биения компактного одночастотного линейно-поляризованного волоконного источника излучения на основе резонатора, изготовленного посредством импульсного излучения фемтосекундного лазера.

На фиг. 5 представлен оптический спектр генерации компактного одночастотного линейно-поляризованного волоконного источника излучения на основе резонатора, изготовленного посредством импульсного излучения фемтосекундного лазера.

Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные полупроводниковый источник накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом 1, первый спектрально-селективный разветвитель 2, резонатор 3, дополнительный спектрально-селективный разветвитель 4, активный оптический световод 5, оптический изолятор на основе оптического волокна с сохранением поляризации 6, выходной коннектор 7 и которые оптически связаны между собой.

Двулучепреломление свойственно структурам волоконной брэговской решетки (ВБР), изготовленным с применением импульсного излучения фемтосекундного лазера из-за анизотропно наведенного показателя преломления внутри сердцевины оптического волокна. Пороговое условие генерации заявляемого устройства можно выразить следующим образом:

, (1)

где - коэффициент усиления на единицу длины в активном оптическом световоде в зависимости от мощности накачки , - коэффициент связи и длина резонатора (ВБР с фазовым сдвигом), , - коэффициенты для ненасыщенных потерь активного оптического световода и индуцированных фемтосекундным излучением в структуре ВБР, соответственно. Из-за наведенного двулучепреломления поляризационные моды с коэффициентами связи и будут соответствовать волоконным брэгговским решеткам разной силы. С учетом уравнения (1) порог генерации достигается только для одной поляризационной моды. Также методика импульсного излучения фемтосекундного лазера позволяет изготавливать структуры с различным периодом, что делает возможным реализовывать одночастотные линейно-поляризованные лазеры в тулии, гольмии, иттербии и т.д

Заявленное устройство работает следующем образом: излучение от полупроводникового источника накачки оптического излучения с длиной волны 980 нм и оптическим волоконным выходом 1 через спектрально-селективный разветвитель 2, попадает в резонатор 3. Величина прошедшей накачки через резонатор 3 заявляемого устройства, как правило, составляет не менее 80% от первоначального значения. Таким образом, остаточную накачку можно использовать для усиления полученного сигнала. Для этого к свободному концу резонатора 3, приваривается дополнительный второй спектрально-селективный разветвитель 4. Соединение с дополнительным вторым спектрально-селективным разветвителем 4 должно происходить таким образом, чтобы накачка проходила в порт дополнительного второго спектрально-селективного разветвителя 4, где находится активный оптический световод 5 (порт накачки - порт, который приварен к свободному концу резонатора 3 от дополнительного второго спектрально-селективного разветвителя 4). При прокачке активного оптического эрбиевого световода 5 возникает инверсная заселенность и данная среда будет выполнять роль волоконного усилителя. При этом генерируемый сигнал с длиной волны 1,55 мкм изолирован в направлении из общего порта первого спектрально-селективного разветвителя 2 в общий порт дополнительного второго спектрально-селективного разветвителя 4, что позволяет избавиться от паразитной обратной связи, которая может возникнуть из-за центров отражения активного оптического световода 5. Из сигнального порта первого спектрально-селективного разветвителя 2 излучение заводится в общий порт дополнительного второго спектрально-селективного разветвителя 4 через сигнальный порт дополнительного спектрально-селективного разветвителя 4 для усиления сигнала, что по позволяет усилить сигнал в ~ 100 раз: значение выходной мощности сигнала до попадания на оптический усилитель - 100 мкВт, после прохождения через оптический усилитель - более 30 мВт. Резонатор 3, который выполнен в активном оптическом световоде 5 в заявляемом техническом решении может быть изготовлен посредством импульсного излучения фемтосекундного лазера в оптическом волокне либо УФ излучения. Выходной оптический спектр от мощности генерации компактного одночастотного линейно-поляризованного волоконного источника излучения на основе резонатора, изготовленного посредством УФ излучения и изготовленного посредством импульсного излучения фемтосекундного лазера представлен на фиг. 3 и фиг. 5, где значение для каждой из конфигураций составило более 30 мВт (> 14 дБм). В направлении от общего порта второго спектрально-селективного разветвителя 4 к первому спектрально-селективному разветвителю 2 должна быть изоляция, которая также предотвращает паразитную обратную связь от центров отражения активного оптического световода 5, находящегося в общем порту дополнительного второго спектрально-селективного разветвителя 4, что решается применением первого спектрально-селективного разветвителя 2 с функцией изоляции в направлении из сигнального порта в общий. На выходе из схемы заявляемого устройства устанавливается оптический изолятор 6 на основе оптического волокна с сохранением поляризации, который также предотвращает паразитные отражения от выходного коннектора 7. Отдельно следует отметить, что резонатор 3 выполнен в активном оптическом световоде 5 без сохранения поляризации на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом и может быть выполнен посредством импульсного излучения фемтосекундного лазера либо УФ излучения. Для конфигурации, где резонатор 3, заявляемого компактного одночастотного линейно-поляризованного волоконного источника излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом, был изготовлен с помощью УФ излучения, используются компоненты с сохранением поляризации и с блокировкой одной из поляризационных осей для селекции поляризационной моды генерации (оси оптического излучения) - первого спектрально-селективного разветвителя 2, второго спектрально-селективного разветвителя 4 и оптического изолятора 6 на основе оптического волокна с сохранением поляризации. На фиг.2 представлен радиочастотный спектр для такой конфигурации с компонентами с блокировкой одной поляризационной оси 9: отсутствует пик биения поляризационных мод. При использовании вышеописанных компонент без блокировки одной из осей на радиочастотном спектре фиг.2 появляется пик биения при конфигурации с компонентами без блокировки одной поляризационной оси 8, находящийся на разностной частоте поляризационных мод. В случае применения резонатора 3, который выполнен в активном оптическом световоде 5 без сохранения поляризации излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом и изготовленного с помощью импульсного излучения фемтосекундного лазера, для получения линейно-поляризованного излучения достаточно использовать оптические компоненты на основе оптического волокна с сохранением поляризации без блокировки одной из поляризационных осей, а именно оптический изолятор 6 на основе оптического волокна с сохранением поляризации выполнен без блокировкой одной поляризационной оси оптического излучения, при этом второй спектрально-селективный разветвитель 4, который расположен после резонатора 3 и выполнен без блокировки одной поляризационной оси оптического излучения на основе оптического волокна с сохранением поляризации с возможностью заведения в активный оптический световод 5 остаточного оптического излучения полупроводникового источника накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом из первого спектрально-селективного разветвителя 2. При этом первый спектрально-селективный разветвитель 2 выполнен без блокировки одной поляризационной оси оптического излучения как и в прототипе.

Так как из-за анизотропно наведенного показателя преломления в структуре резонатора 3, в генерацию выходит единственная поляризационная мода. На фиг. 4 представлен радиочастотный спектр для данной схемы, на котором отсутствует пик биения поляризационной моды.

Таким образом, заявленная в двух вариантах конфигурация компактного одночастотного линейно-поляризованного волоконного источника излучения на основе распределенной обратной связи в виде ВБР с фазовым сдвигом, изготовленная с применением импульсного излучения фемтосекундного лазера или УФ излучения в активном оптическом световоде без сохранения поляризации, позволяет получить линейно-поляризованное одночастотное излучение с выходной мощностью более 10 мВт.

Кроме того, в ряде приложений, таких как спектрометрия или при генерации второй гармоники, необходимо излучение одной поляризационной компоненты, и генерация двух поляризационных мод нежелательна. Для применения в области спектроскопии крайне желательно использовать источник с единственной линией (так как она будет «прописывать» спектр вещества), если это будет произведено двумя поляризационными модами, отстоящими друг от друга на частотный интервал ~ 1 ГГц, то это затруднит обработку данных или вообще сделает её невозможной. Если говорить о генерации второй гармоники, то нелинейный элемент определенного типа (кристаллы BBO, LBO) производит удвоение для одной единственной поляризации. Также полученная выходная мощность в ≈ 30 мВт, достаточна для использования технического решения в таких областях как оптическая связь, рефлектометрия. Компактность, предложенных вариантов устройств, достигается за счёт использования дополнительного спектрально-селективного разветвителя, с помощью которого остаточная накачка применяется для усиления сигнала. Таким образом, не надо использовать дополнительные диоды для накачки в случае достижения мощностей в ~ 10 мВт. А за счет того, что данный прибор имеет достаточно компактные габариты (100 × 70 × 20 мм), то он легко интегрируется в такие приборы как рефлектометр.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к одночастотным линейно-поляризованным волоконным лазерам с распределенной обратной связью. Компактный одночастотный линейно-поляризованный волоконный источник излучения содержит последовательно соединенные полупроводниковый источник накачки с оптическим волоконным выходом, первый спектрально-селективный разветвитель, резонатор, активный оптический световод, оптический изолятор на основе оптического волокна с сохранением поляризации, выполненный без блокировки одной поляризационной оси оптического излучения, выходной коннектор, при этом оснащен вторым спектрально-селективным разветвителем, выполнен без блокировки или с блокировкой одной поляризационной оси оптического излучения, а резонатор выполнен в активном оптическом световоде без сохранения поляризации излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом посредством УФ излучения либо импульсного излучения фемтосекундного лазера. Технический результат - усиление единственной поляризационной компоненты одночастотного излучения и увеличение выходной мощности излучения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Компактный одночастотный линейно-поляризованный волоконный источник излучения, содержащий последовательно соединенные полупроводниковый источник накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом, первый спектрально-селективный разветвитель, который выполнен на основе оптического волокна с сохранением поляризации, резонатор, активный оптический световод, выполненный на основе оптического волокна с сохранением поляризации, оптический изолятор на основе оптического волокна с сохранением поляризации, выполненный без блокировки одной поляризационной оси оптического излучения, выходной коннектор, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен вторым спектрально-селективным разветвителем, который расположен после резонатора и выполнен без блокировки одной поляризационной оси оптического излучения на основе оптического волокна с сохранением поляризации с возможностью заведения в активный оптический световод остаточного оптического излучения полупроводникового источника накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом из первого спектрально-селективного разветвителя, а резонатор выполнен в активном оптическом световоде без сохранения поляризации излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом посредством импульсного излучения фемтосекундного лазера в оптическом волокне.

2. Компактный одночастотный линейно-поляризованный волоконный источник излучения, содержащий последовательно соединенные полупроводниковый источник накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом, первый спектрально-селективный разветвитель, который выполнен на основе оптического волокна с сохранением поляризации, резонатор, активный оптический световод, выполненный на основе оптического волокна с сохранением поляризации, оптический изолятор на основе оптического волокна с сохранением поляризации, выходной коннектор, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен вторым спектрально-селективным разветвителем, который расположен после резонатора и выполнен с блокировкой одной поляризационной оси оптического излучения на основе оптического волокна с сохранением поляризации с возможностью заведения в активный оптический световод остаточного оптического излучения полупроводникового источника накачки оптического излучения с оптическим волоконным выходом из первого спектрально-селективного разветвителя, при этом резонатор выполнен в активном оптическом световоде без сохранения поляризации излучения на основе волоконной брэгговской решетки с фазовым сдвигом посредством УФ излучения, оптический изолятор на основе оптического волокна с сохранением поляризации выполнен с блокировкой одной поляризационной оси оптического излучения, а первый спектрально-селективный разветвитель выполнен с блокировкой одной поляризационной оси.