КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРОВ Российский патент 2025 года по МПК H01S3/136 G01J11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к устройствам для контроля режимов генерации ультракоротких импульсов лазеров в режиме реального времени.

[0002] Изобретение может найти свое применение в медицине, спектроскопии, радиофотонике, метрологии, материалообработке и других аналогичных областях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Создание лазеров с ультракороткими импульсами и контроль параметров излучения этих лазеров является актуальной и востребованной темой. Этому посвящены много научных работ и патентов: RU 2605639 C1, RU 2815712 C1, RO131699A4, WO2014148511A1, JP2014060251A, DE19840346A1, DE19840346C2, CN114188809A, CN202423822U, CN202363732U, WO2023143773A1, CN111509537A, CN111509537B, CN116404515A, CN105591280A.

[0004] Из уровня техники известно устройство для стабилизации оптической мощности и спектрального состава широкополосного спектра излучения волоконного импульсного лазера ультракоротких импульсов, выполненного по кольцевой схеме резонатора с пассивной синхронизацией мод, содержит последовательно в кольце:

- оптический участок активного волокна с возбуждением излучением от внешнего, по отношению к резонатору, источника оптической накачки через волоконный оптический ввод для ввода излучения накачки,

- оптический участок пассивного волокна с оптическим ответвителем для отвода части выходного излучения за пределы кольцевого резонатора по волокну с оптическим разветвителем как минимум по четырем разветвляющим оптическим волоконным каналам,

- первый управляемый оптический волоконный контроллер поляризации с управлением от микроконтроллера,

- оптический однонаправленный волоконный поляризационный изолятор,

- второй управляемый оптический волоконный контроллер поляризации с управлением от микроконтроллера,

- первый пигтелированный волокном оптоэлектронный преобразователь, регистрирующий первую часть отведенного выходного излучения с первого канала оптического разветвителя,

- второй пигтелированный волокном оптоэлектронный преобразователь с полосовым оптическим фильтром на входе, пропускающим часть широкополосного спектра, для регистрации второй части выходного излучения со второго канала оптического разветвителя,

- третий оптический канал разветвителя для доставки третьей части оптического излучения к потребителю (анализатору спектра),

в котором организована автоматическая оптоэлектронная обратная связь на основе программируемого микроконтроллера, который циклически принимает посредством имеющихся у него аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) выходные сигналы напряжений с первого и второго оптоэлектронного преобразователя, а после сравнения их значений с фиксированными ранее эталонными значениями и при их отклонении от этих эталонных значений микроконтроллер вырабатывает с помощью цифро-аналоговых преобразователей рассчитанные в реальном времени управляющие электрические сигналы для каждого волоконного контроллера поляризации таким образом, чтобы отклонения выходных напряжений оптоэлектронных преобразователей от эталонных значений, соответствующей исходному виду широкополосного оптического спектра излучения, были сведены к минимуму, в результате чего широкополосный спектр приходит к исходному состоянию, а генерация ультракоротких импульсов становится устойчивой [RU2605639C1, дата публикации 27.12.2016].

[0005] Недостаток данного устройства заключается в том, что рабочие частоты этого устройства составляют до 100 МГц и не отсекаются режимы работы с удвоением импульсов.

[0006] Также из уровня техники известен измеритель параметров импульса лазерного излучения, содержащий входное фотоэлектронное устройство, чувствительное к длине волны лазера, устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал, средство записи электрического сигнала и персональный компьютер, на дисплее которого отображаются сведения о значениях измеряемых параметров: мощности, длительности и энергии импульса, в качестве средства записи электрического сигнала используют пару запоминающих устройств с разными постоянными времени, в качестве устройства, преобразующего входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал, используют аналого-цифровой преобразователь следящего уравновешивания импульсного типа и фильтр верхних частот, с возможностью моделирования поступающего напряжения в импульсное напряжением типа меандр, значения амплитуды которого и модулированного опорного напряжения передаются в компьютер [RU 2815712C1, дата публикации 20.03.2024]

[0007] Недостаток известного измерителя заключается в том, что в качестве фотодетектора используется кремниевый фотодиод, с чувствительностью в видимой и самой ближней инфракрасной областью (до 1,1 мкм), измеряются параметры одиночных импульсов и эти импульсы имеют наносекундную длительность, а не пико- и фемтосекундную.

[0008] Известно устройство контроля оптической мощности излучения, проходящего по оптоволокну без нарушения целостности волокна по рассеянному излучению из этого волокна [WO2014148511A1, дата публикации 25.09.2014].

[0009] Недостаток указанного устройства заключается в том, что регистрируется только интегральная мощность излучения, излучение накачки, излучение генерации импульсное и постоянная составляющая этой генерации.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании комплекса контроля режимов генерации лазеров ультракоротких импульсов, позволяющего оперативно, в режиме реального времени, отслеживать изменения параметров генерации ультракоротких импульсов источников лазерного излучения.

[0011] Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей систем контроля режимов генерации лазеров ультракоротких импульсов за счет обеспечения возможности в режиме реального времени контролировать переходные процессы контролируемой лазерной системы, а также определять различные реализации режимов генерации контролируемого лазера. В частности, к определяемым режимам относятся: постоянная генерация; частичная синхронизация мод с модуляцией добротности; синхронизация мод с постоянной составляющей; гармоническая синхронизация мод; штатный режим синхронизации мод; синхронизация мод со смещенной длиной волны; синхронизация мод с измененной длительностью импульсов; отсутствие генерации.

[0012] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что комплекс контроля режимов генерации лазеров ультракоротких импульсов контролируемого источника 1 лазерного излучения включает в себя:

оптический делитель 2 в соотношении 95/5 на заданной длине волны, из которых 5% поступает на контрольную систему, 95% потребителю 3 лазерного излучения;

четырехканальный оптический делитель 4 на заданной длине волны, содержащий равнозначные по мощности первый, второй, третий и четвертый выходы, при этом вход четырехканального оптического делителя 4 подключен при помощи волоконно-оптического соединения к выходу оптического делителя (2), на который отводится 5% лазерного излучения;

узкополосные оптические фильтры 5.1 и 5.2, выполненные с возможностью пропускания оптической полосы шириной 1 нм, подключенные входами к первому и второму выходам четырехканального оптического делителя 4 при помощи волоконно-оптического соединения, при этом расстояние между пиками пропускания оптических фильтров 5.1 и 5.2 подобраны таким образом, что оно соответствует полуширине оптического спектра контролируемого лазера 1;

фотодетекторы 6.1 и 6.2, выполненные с возможностью пропускания полосы радиочастот шириной не более 1 кГц, подключенные к выходам узкополосных оптических фильтров 5.1 и 5.2 при помощи волоконно-оптического соединения;

фотодетектор 6.3, выполненный с возможностью пропускания полосы радиочастот шириной не более 1 кГц, подключенный к третьему выходу четырехканального оптического делителя 4 при помощи волоконно-оптического соединения;

фотодетектор 7, выполненный c возможностью пропускания полосы радиочастот шириной не менее 1 ГГц, подключенный к четвертому выходу четырехканального оптического делителя 4 при помощи волоконно-оптического соединения;

узкополосный радиочастотный фильтр 8, настроенный на частоту, соответствующую времени обхода резонатора контролируемого лазера 1, и с добротностью не менее десяти, подключенный к оптическому детектору 7 при помощи электрического соединения;

согласующие усилители 9.1, 9.2, 9.3 и 9.4, подключенные входами к выходам фотодетекторов 6.1, 6.2 и 6.3 и узкополосного радиочастотного фильтра 8 соответственно;

четырехканальный АЦП 10, содержащий первый, второй, третий и четвертый входы, к которым подключены вышеупомянутые согласующие усилители 9.1, 9.2, 9.3 и 9.4 при помощи электрических соединений;

персональный компьютер 11, подключенный к АЦП 10;

систему визуализации 12, подключенную к персональному компьютеру 11.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема заявляемого комплекса контроля режимов генерации ультракоротких импульсов лазеров.

[0014] Позиции на чертежах имеют следующие обозначения:

1 - контролируемый источник ультракоротких импульсов, например, лазер с синхронизацией мод, с частотой следования импульсов, определяемой временем обхода резонатора этого лазера;

2 - оптический делитель 95/5 на заданной длине волны;

3 - потребитель лазерного излучения;

4 - четырехканальный оптический делитель;

5.1 и 5.2 - узкополосные оптические фильтры с шириной оптической полосы пропускания менее 1 нм;

6.1, 6.2 и 6.3 - фотодетекторы с полосой пропускания не более 1 кГц;

7 - фотодетектор с полосой пропускания не менее 1 ГГц;

8 - узкополосный радиочастотный фильтр;

9.1, 9.2, 9.3 и 9.4 - согласующие усилители;

10 - четырехканальный АЦП;

11 - персональный компьютер;

12 - система визуализации.

[0015] Комплекс контроля режимов генерации лазеров ультракоротких импульсов контролируемого источника 1 (фиг.1) включает в себя:

оптический делитель 2 с соотношением 95/5 на заданной длине волны, из которых 5% излучения поступает на контрольную систему (выделена на фиг.1 штрихованной линией), 95% излучения поступает потребителю 3 лазерного излучения;

четырехканальный оптический делитель 4 на заданной длине волны, который имеет четыре равнозначные по мощности выхода - первый (а), второй (б), третий (в), четвертый (г), вход которого подключен к выходу оптического делителя 2, на который отводится 5% лазерного излучения;

узкополосные оптические фильтры 5.1 и 5.2 с шириной оптической полосы пропускания менее 1 нм, подключенные входами к выходам (а) и (б) четырехканального оптического делителя 4 при помощи волоконно-оптического соединения;

фотодетекторы 6.1 и 6.2 с полосой пропускания не более 1 кГц, подключенные к выходам узкополосных оптических фильтров 5.1 и 5.2 при помощи волоконно-оптического соединения;

фотодетектор 6.3 с полосой пропускания не более 1 кГц, подключенный к выходу (в) четырехканального оптического делителя 4 при помощи волоконно-оптического соединения;

фотодетектор 7 c полосой пропускания не менее 1 ГГц (низкочастотные составляющие отрезаются для уменьшения шумов), подключенный к выходу (г) четырехканального оптического делителя 4 при помощи волоконно-оптического соединения;

узкополосный радиочастотный фильтр 8, настроенный на частоту, соответствующую времени обхода резонатора контролируемого лазера 1 с синхронизацией мод и с добротностью не менее 10, подключенный к фотодетектору 7 при помощи электрического соединения;

согласующие усилители 9.1, 9.2, 9.3 и 9.4, подключенные входами к выходам фотодетекторов 6.1, 6.2 и 6.3 и узкополосного радиочастотного фильтра 8 соответственно;

четырехканальный АЦП 10, имеющий четыре входа - первый (а), второй (б), третий (в) и четвертый (г), к которым подключены согласующие усилители 9.1, 9.2, 9.3 и 9.4;

персональный компьютер 11, подключенный к АЦП 10, в качестве которого может быть использована, например, однокристальная микро-ЭВМ;

систему визуализации 12, подключенную к компьютеру 11.

[0016] Под потребителем 3 лазерного излучения подразумевается устройство или совокупность устройств, использующих выходное излучение контролируемой лазерной системы для решения задач медицины, спектроскопии, метрологии и т.д.

Устройство работает следующим образом

[0017] Лазерное излучение от контролируемого источника 1 ультракоротких импульсов, например лазера, проходит через оптический делитель 2. Часть (5%) лазерного излучения отводится оптическим делителем 2 на четырехканальный оптический делитель 4, остальное лазерное излучение (95%) направляется потребителю 3.

[0018] С выхода канала (а) и (б) четырехканального оптического делителя 4 лазерное излучение поступает на узкополосные оптические фильтры 5.1 и 5.2 с шириной оптической полосы пропускания менее 1нм, где происходит выделение частей спектра выходного излучения контролируемого лазера 1 для определения ширины полосы лазерного излучения и спектрального положения центральной длины волны (по соотношению интенсивностей излучения), далее на фотодетекторы 6.1 и 6.2 с полосой пропускания радиочастот не более 1 кГц, преобразующие оптический сигнал в электрический, и согласующие усилители 9.1 и 9.2, подключенные к входу (а) и (б) АЦП 10. Согласующие усилители 9.1 и 9.2 усиливают электрический сигнал с фотодетекторов 6.1 и 6.2 до уровней напряжения, необходимых АЦП 10, и сглаживают шумы, т.е. интегрируют сигнал с постоянными времени, согласованными с временем опроса АЦП 10.

[0019] Расстояние между пиками пропускания оптических фильтров 5.1 и 5.2 подбирается таким образом, что оно соответствует полуширине оптического спектра контролируемого лазера 1, при этом ширина пропускания оптических фильтров много меньше ширины спектра излучения этого лазера в штатном режиме синхронизации мод с широким оптическим спектром. При работе в режиме постоянной генерации (с узким оптическим спектром) либо при смещении основной длины волны генерации в режиме синхронизации мод уровни сигналов и их соотношение не будут соответствовать штатному режиму контролируемого лазера 1.

[0020] С выхода канала (в) четырехканального оптического делителя 4 излучение без оптической фильтрации для обеспечения регистрации общего усреднённого уровня излучения поступает на фотодетектор 6.3 с полосой пропускания радиочастот не более 1кГц и согласующий усилитель 9.3, подключенный к входу (в) АЦП 10. Согласующий усилитель 9.3 усиливает электрический сигнал с фотодетектора 6.3 до уровня напряжения, необходимого АЦП 10, и сглаживает шумы, т.е. интегрирует сигнал с постоянной времени, согласованной с временем опроса АЦП 10. Соотношение сигналов каналов (а), (б) и (в) четырехканального оптического делителя 4 показывает, вышел или нет контролируемый лазер 1 в режим синхронизации мод (с широким оптическим спектром) или работает в режиме постоянной генерации (с узким оптическим спектром). Соотношение сигналов каналов (а) и (б) показывает смещение основной длины волны генерации с синхронизацией мод.

[0021] Оставшаяся часть лазерного излучения с выхода канала (г) четырехканального оптического делителя 4 поступает на вход оптического фотодетектора 7 с максимальной полосой пропускания не менее 1 ГГц, низкочастотные составляющие отрезаются для уменьшения шумов. Полученный высокочастотный электрический сигнал проходит через узкополосный радиочастотный (РЧ) фильтр 8 с добротностью не менее 10 (десяти). Максимум полосы пропускания РЧ фильтра 8 настроен на частоту следования оптических импульсов в штатном режиме работы контролируемого лазера 1. Далее отфильтрованный электрический сигнал с выхода радиочастотного фильтра 8 поступает на вход согласующего усилителя 9.4, который усиливает электрический сигнал с радиочастотного узкополосного фильтра 8 до уровня напряжения, необходимого АЦП 10, выпрямляет переменный сигнал и сглаживает шумы, т.е. интегрирует сигнал с постоянной времени, согласованной, с временем опроса АЦП 10. Полученное напряжение с выхода согласующего усилителя 9.4 поступает на вход канала (г) АЦП 10, при этом при штатном режиме синхронизации мод наблюдается максимальный сигнал на этом канале.

[0022] Электрические сигналы на входах (а), (б), (в) и (г) АЦП 10, поступающие с согласующих усилители 9.1, 9.2, 9.3 и 9.4, принимают разные значения напряжения при разных режимах работы контролируемого лазера 1. При этом предварительно осуществляют калибровку уровней этих сигналов, соответствующих разным режимам работы контролируемого лазера 1, с последующим занесением калибровочных значений в память компьютера 11. При поступлении с выходов (а), (б), (в) и (г) АЦП 10 на компьютер 11 разных значений напряжения при разных режимах работы контролируемого лазера 1 происходит сравнивание текущих значений напряжений с калибровочными, ранее занесенными в память ЭВМ, и выдаётся информация о выходе контролируемого лазера 1 на один из режимов генерации с помощью системы визуализации 12, в качестве которой может быть монитор компьютера, светодиодное табло или другая система индикации. Среди определяемых режимов контролируемого лазера 1 существуют следующие: постоянная генерация; частичная синхронизация мод с модуляцией добротности; синхронизация мод с постоянной составляющей; гармоническая синхронизация мод; штатный режим синхронизации мод; синхронизация мод со смещенной длиной волны; синхронизация мод с измененной длительностью импульсов; отсутствие генерации.

[0023] Использование узкополосного радиочастотного фильтра 8 совместно с фотоприёмником 7 позволяет выделить режимы работы контролируемого лазера 1, когда не только нет постоянной составляющей, но и частота следования импульсов соответствует времени обхода резонатора контролируемого лазера 1, также отсекаются режимы работы с удвоением импульсов (гармонической синхронизации мод).

[0024] Применение узкополосного радиочастотного фильтра 8 позволяет работать с лазерами, у которых частота следования импульсов доходит до 500 МГц (поэтому полоса пропускания фотодетектора 7 должна быть не менее 1 ГГц - как минимум в два раза превосходить частоту следования лазерных импульсов).

[0025] Соотношение электрических сигналов в каналах (а), (б), (в) и (г) АЦП 10, соответствующих узкополосным оптическим фильтрам 5.1 и 5.2, позволяет оценивать спектральное положение и ширину спектра излучения. Изменение положения и ширины контура излучения позволяет определять длительность импульсов.

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к устройствам для контроля режимов генерации лазеров. Комплекс контроля режимов генерации ультракоротких импульсов контролируемого лазерного источника содержит: оптический делитель в соотношении 95/5; четырехканальный оптический делитель, содержащий равнозначные выходы, при этом его вход подключен при помощи волоконно-оптического соединения к выходу оптического делителя, на который отводится 5% лазерного излучения; узкополосные оптические фильтры, подключенные к первому и второму выходам четырехканального оптического делителя; фотодетекторы, подключенные к выходам узкополосных оптических фильтров; фотодетектор, подключенный к третьему выходу четырехканального оптического делителя; фотодетектор, подключенный к четвертому выходу четырехканального оптического делителя при помощи волоконно-оптического соединения; узкополосный радиочастотный фильтр; согласующие усилители; четырехканальный аналого-цифровой преобразователь, входы которого подключены к согласующим усилителям; ПК и систему визуализации. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Комплекс контроля режимов генерации ультракоротких импульсов контролируемого источника (1) лазерного излучения включает в себя: оптический делитель (2) в соотношении 95/5 на заданной длине волны, из которых 5% лазерного излучения поступает на контрольную систему, 95% лазерного излучения поступает потребителю (3); четырехканальный оптический делитель (4) на заданной длине волны, содержащий равнозначные по мощности первый, второй, третий и четвертый выходы, при этом вход четырехканального оптического делителя (4) подключен при помощи волоконно-оптического соединения к выходу оптического делителя (2), на который отводится 5% лазерного излучения; узкополосные оптические фильтры (5.1) и (5.2), выполненные с возможностью пропускания оптической полосы шириной не более 1 нм, подключенные при помощи волоконно-оптического соединения входами к первому и второму выходам четырехканального оптического делителя (4), при этом расстояние между пиками пропускания оптических фильтров (5.1) и (5.2) подобрано таким образом, что оно соответствует полуширине оптического спектра контролируемого лазера (1); фотодетекторы (6.1) и (6.2), выполненные с возможностью пропускания полосы радиочастот шириной не более 1 кГц, подключенные к выходам узкополосных оптических фильтров (5.1) и (5.2) при помощи волоконно-оптического соединения; фотодетектор (6.3), выполненный с возможностью пропускания полосы радиочастот шириной не более 1 кГц, подключенный к третьему выходу четырехканального оптического делителя (4) при помощи волоконно-оптического соединения; фотодетектор (7), выполненный c возможностью пропускания полосы радиочастот шириной не менее 1 ГГц, подключенный к четвертому выходу четырехканального оптического делителя (4) при помощи волоконно-оптического соединения; узкополосный радиочастотный фильтр (8), настроенный на частоту, соответствующую времени обхода резонатора исследуемого лазера (1), и с добротностью не менее десяти, подключенный к оптическому детектору (7) при помощи электрического соединения; согласующие усилители (9.1), (9.2), (9.3) и (9.4), подключенные входами к выходам фотодетекторов (6.1), (6.2) и (6.3) и узкополосного радиочастотного фильтра (8) соответственно; четырехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (10), содержащий первый, второй, третий и четвертый входы, к которым подключены вышеупомянутые согласующие усилители (9.1), (9.2), (9.3) и (9.4) при помощи электрических соединений; компьютер 11, подключенный к АЦП (10); систему визуализации 12, подключенную к компьютеру (11).