ОПТОВОЛОКОННАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ЛАЗЕРА НАКАЧКИ Российский патент 2025 года по МПК H01S3/67 

Область техники

Изобретение относится к оптоволоконным генераторам непрерывного лазерного излучения, может использоваться на промышленных предприятиях.

Одним из важных требований, к современным лазерным системам, в частности к тем, которые используются для дальнейшей накачки активных сред, является высокая эффективность преобразования мощности излучения накачки в мощность излучения на требуемой длине волны. При этом лучшее поглощение излучения накачки и лучшая эффективность преобразования достигается в случае, если излучение накачки обладает высокой яркостью (высоким значением качества оптического пучка). При использовании в качестве накачиваемой активной среды оптического волокна, легированного активными ионами иттербия, высокая эффективность генерации обеспечивает приемлемый уровень нагрева активного волокна, вследствие низкого квантового дефекта (разнице в частоте излучения накачки и частоте излучения лазерной генерации). При использовании в качестве накачиваемой активной среды объемного кристалла, например, иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами иттербия (Yb: YAG), в качестве накачки которого обычно используется излучение на длине волны в диапазоне 940-970 нм, высокую эффективность генерации также возможно получить, используя излучение накачки с большей длиной волны и с большей яркостью, обеспечивающей более низкий квантовый дефект. Для активной среды, легированной ионами иттербия, в случае если рабочая длина волны лазерной генерации расположена в диапазоне 1030 нм, то в качестве накачки возможно использовать источник с близкой длиной волны, например, в диапазоне 1010 нм, обеспечивающей приемлемый квантовый дефект (в районе 2%) и, соответственно, приемлемый температурный режим работы активной среды. При накачке активного кристалла Yb: YAG для обеспечения высокого значения качества оптического пучка, генерируемого оптическим элементом излучения, необходимым является также высокое значение качества оптического пучка излучения накачки (высокой яркости). Поэтому высокоэффективный лазерный источник излучения накачки с длиной волны генерации в диапазоне 1000-1028 нм с оптическим пучком высокого качества, является необходимым для создания современных многокаскадных лазерных систем [1, 2].

Уровень развития волоконно-оптических лазерных технологий позволяет в настоящее время достичь выходных мощностей генерации порядка 0,9 кВт на длине волны 1010 нм с дифференциальной эффективностью генерации, составляющей 70%, и 0,75 кВт на длине волны 1007 нм, с дифференциальной эффективностью генерации, составляющей 64% [2]. Для получения таких параметров генерации требуется особая конфигурация цельно-волоконной лазерной системы, включающая специальные активные волокна, диодные модули накачки, систему теплоотвода, предотвращающую возникновение тепловых эффектов, в частности модовой неустойчивости [3]. Для предотвращения паразитной генерации на длинах волн в диапазоне 1030 нм требуется использование волокон с пониженной концентрацией ионов иттербия.

Уровень техники

Из уровня техники известен высокомощный сверхъяркий малошумящий источник накачки [4], выполненный с одним или более объединенными мультимодовыми затравочными источниками, который вырабатывает ровный световой сигнал λp, предпочтительно с длиной волны 975 нм или любой другой желаемой длиной волны в диапазоне 974-1030 нм. Мультимодовый затравочный источник может быть выполнен в виде волоконного компонента или в виде мультимодового лазерного диода, и выходной световой сигнал может достигать мощности в нескольких сотен ватт.

Указанный прототип не обеспечивает устранение волноводных мод высших порядков.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения заключается в усовершенствовании конструктивных элементов устройства.

Технический результат изобретения заключается в устранении волноводных мод высших порядков, обеспечивающем высокое качество оптического пучка генерируемого излучения. Дополнительным техническим результатом является увеличение порога возникновения эффекта модовой неустойчивости. Конструктив изобретения также позволяет осуществить оптимальный теплоотвод избыточной тепловой мощности.

Оптоволоконная структура лазерного источника содержит стабилизированные по длине волны лазерные диоды накачки, активное волокно, легированное ионами иттербия, обеспечивающее лазерную генерацию в диапазоне 1000-1028 нм. Устройство снабжено активным волокном с боковой накачкой, которое состоит из активного волокна с переменным диаметром, легированного ионами иттербия и пассивного волокна (сателлитного) с переменным диаметром. Также устройство содержит волоконные брэгговские решетки и волоконный объединитель.

Пассивные оптические волокна, в покрытии, содержащем рассеивающие микрочастицы (например, гексагональный нитрид бора), обеспечивают равномерное рассеивание в окружающее пространство остаточной оптической мощности (терминацию остаточного оптического излучения) со стороны одной из волоконных брэгговских решеток, равномерное рассеивание оптической мощности спонтанной люминесценции, а также равномерное рассеяние непоглощенного излучения накачки.

Оболочка устройства состоит из металлического сплава, и позволяет произвести спиральную укладку оптических волокон с оптимальным радиусом их изгиба. Оболочка обеспечивает оптимальный теплоотвод от активных и пассивных волокон, снижающий тепловую нагрузку на оптические волокна, что приводит к повышению порога возникновения эффекта модовой неустойчивости.

Активное волокно имеет специальный профиль легирования ионами иттербия, приводящий к селективному усилению волноводных мод в активном волокне и способствующий улучшению качества выходного оптического пучка, при этом легирование жилы ионами иттербия составляет 50-90% от диаметра жилы с концентрацией в диапазоне 200-500 ppm.

В качестве модулей накачки используются стабилизированные по длине волны лазерные диоды.

Волоконный объединитель позволяет использовать более одного лазерного диода, для осуществления накачки активной среды в различных направлениях относительно распространения генерируемого излучения: во встречном, в попутном и в двух направлениях одновременно.

Брэгговские решетки обеспечивают генерацию излучения на требуемой длине волны в диапазоне 1000-1028 нм.

Осуществление изобретения

Пример №1

Объединитель накачки объединяет излучение нескольких лазерных диодов накачки для достижения оптической мощности, необходимой для накачки активного волокна. Легирование жилы активного волокна ионами иттербия составляет 70% от диаметра жилы с концентрацией 200 ppm. Излучение источника диодной накачки возбуждает ионы активного волокна, находящиеся в основном состоянии, и инициирует их переход на верхние энергетические уровни, таким образом создавая инверсию населенностей. Резонатор, образованный волоконными брэгговскими решетками, обеспечивает лазерную генерацию на длине волны, определяемой длиной волны отражения решеток. Выходное волокно волоконного блока подваривается к другому активному элементу, накачку которого необходимо осуществить. В результате устройство генерирует излучение на требуемой длине волны 1020 нм.

Пример №2

Объединитель накачки объединяет излучение нескольких лазерных диодов накачки для достижения оптической мощности, необходимой для накачки активного волокна. Легирование жилы активного волокна ионами иттербия составляет 90% от диаметра жилы с концентрацией 500 ppm. Излучение источника диодной накачки возбуждает ионы активного волокна, находящиеся в основном состоянии, и инициирует их переход на верхние энергетические уровни, таким образом создавая инверсию населенностей. Резонатор, образованный волоконными брэгговскими решетками, обеспечивает лазерную генерацию на длине волны, определяемой длиной волны отражения решеток. Выходное волокно волоконного блока подваривается к другому активному элементу, накачку которого необходимо осуществить. В результате устройство генерирует излучение на требуемой длине волны 1010 нм.

Список литературы:

1) Dergachev A., Samartsev I., Gapontsev V. High-power, rare-earth-doped crystal amplifier based on ultra-low-quantum-defect pumping scheme Utilizing single or low-mode fiber lasers: пат. 11316319 США. - 2022.

2) Platonov N. et al. High-efficient kW-level single-mode ytterbium fiber lasers in all-fiber format with diffraction-limited beam at wavelengths in 1000-1030 nm spectral range //Fiber Lasers XVII: Technology and Systems. - SPIE, 2020. - T. 11260. - C. 1126003.

3) Smith A.V., Smith J. J. Mode instability in high power fiber amplifiers //Optics express. -2011. - Т. 19. - №.11. - C. 10180-10192.

4) Гапонцев В., Самарцев И. ВЫСОКОМОЩНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ИСТОЧНИК НАКАЧКИ С ВЫСОКОЯРКИМ МАЛОШУМЯЩИМ ВЫХОДНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 974-1030 нм. - 2016. RU 2591586.

Изобретение относится к оптоволоконным генераторам непрерывного лазерного излучения. Оптоволоконная структура для лазера накачки содержит оболочку, активное волокно, легированное ионами иттербия, с возможностью генерации излучения в диапазоне 1000-1028 нм, согласно изобретению содержит активное волокно с боковой накачкой, состоящее из активного волокна, легированного ионами иттербия, с переменным диаметром и пассивного волокна с переменным диаметром, волоконные брэгговские решетки, волоконные объединители, стабилизированные по длине волны лазерные диоды накачки, при этом легирование жилы активного волокна ионами иттербия составляет 50-90% от диаметра жилы с концентрацией в диапазоне 200-500 ppm. Технический результат - устранение волноводных мод высших порядков, оптимизация температурного режима работы лазера и повышение порога возникновения эффекта модовой неустойчивости.

Оптоволоконная структура для лазера накачки, содержащая оболочку, активное волокно, легированное ионами иттербия, с возможностью генерации излучения в диапазоне 1000-1028 нм, отличающаяся тем, что содержит активное волокно с боковой накачкой, состоящее из активного волокна, легированного ионами иттербия, с переменным диаметром и пассивного волокна с переменным диаметром, волоконные брэгговские решетки, волоконные объединители, стабилизированные по длине волны лазерные диоды накачки, при этом легирование жилы активного волокна ионами иттербия составляет 50-90% от диаметра жилы с концентрацией в диапазоне 200-500 ppm.