Линия задержки на основе волокна с сохранением поляризации для модификации прозрачных материалов Российский патент 2025 года по МПК G02B6/46 

Изобретение относится к области волоконно-оптических линий задержки и может быть использовано, в частности, в лазерных системах, предназначенных для модификации прозрачных материалов.

Качество модификации прозрачных материалов сильно зависит от свойств воздействующего на него лазерного излучения. Многочисленные исследования показывают, что есть 3 типа модификации прозрачных материалов: изотропное и анизотропное изменение показателя преломления, образование пустот [HE, J., XU, B., XU, X. et al. Review of Femtosecond-Laser-Inscribed Fiber Bragg Gratings: Fabrication Technologies and Sensing Applications. Photonic Sens. 11, 203-226 (2021). DOI: https://doi.org/10.1007/s13320-021-0629-2]. Каждый из них может быть получен только при определенной энергии и длительности лазерного импульса. При этом в статье [MUR, J., PIRKER, L., OSTERMAN, N. AND PETKOVŠEK, R. Silicon crystallinity control during laser direct microstructuring with bursts of picosecond pulses. Opt. Express. 25, 26356-26364 (2017). DOI: https://doi.org/10.1364/OE.25.026356] было показано, что качество модифицируемого объёма можно улучшить, если модифицировать его детерминированными пачками импульсов. Под пачками импульсов подразумевается лазерное излучение, в котором формируется сразу несколько импульсов с заданным временным интервалом. Как правило, задержка между импульсами, много меньше, чем время обхода резонатора. Получить пачки импульсов можно без использования внешних устройств в выходном излучении лазерного источника (формируя солитонные молекулы, солитонные кристаллы и т.д.) [GUI, L., WANG, P., DING, Y., ZHAO, K., BAO, C., XIAO, X., YANG, C. Soliton Molecules and Multisoliton States in Ultrafast Fibre Lasers: Intrinsic Complexes in Dissipative Systems. Appl. Sci. 8, 201 (2018). DOI: https://doi.org/10.3390/app8020201], но такое излучение в большинстве своем имеет недостаточную стабильность работы. Этот недостаток ограничивает их применение в коммерчески реализуемых устройствах для модификации прозрачных материалов. Второй способ формирования пачки импульсов заключается в создании задержки между импульсами с помощью специального внешнего устройства - оптической линии задержки. В настоящее время разработано большое количество разновидностей линий задержки.

Известно устройство оптической управляемой линии задержки, в котором используется пассивное одномодовое оптическое волокно, многослойно намотанное на катушку, размещаемую внутри герметичной тепловой трубы с рабочей жидкостью. Регулировка задержки оптического сигнала, в этом случае, достигается изменением температуры намотанного на катушку пассивного одномодового оптического волокна, которое влияет на показатель преломления и длину этого волокна (RU 2620763, МПК G02B 6/46, опубл. 29.05.2017).

Недостатком такой линии задержки является отсутствие возможности создания детерминированных пачек импульсов.

Наиболее близким техническим решением является оптическая линия задержки, состоящая из пассивного одномодового волокна с вводом и выводом оптического сигнала, где временная задержка определяется длиной этого волокна [А. Козанне и др. Оптика и связь: Оптическая передача и обработка информации. М.: Мир, 1984, с. 434-436].

Недостатком этой оптической линии задержки является сильная зависимость показателя преломления от воздействия окружающей среды, а также невозможность сохранения поляризации вводимого излучения.

Техническим результатом изобретения является создание из одного импульса, поступающего от лазерного источника входного излучения, двух импульсов с временной задержкой между ними, которая зависит только от параметров используемого одномодового оптического волокна с сохранением поляризации.

Сущность изобретения заключается в том, что линия задержки на основе волокна с сохранением поляризации для модификации прозрачных материалов, включающая первое одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации, создающее временную задержку между двумя ортогонально поляризованными модами импульса; второе одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации, предназначенное для смешивания основного и задержанного импульса с различной поляризацией; лазерный источник излучения, соединенный с первым одномодовым волокном; делитель поляризации, расположенный на выходе второго одномодового оптического волокна, выделяющий из попадающего на него излучения два ортогонально поляризованных луча; при этом второе одномодовое оптическое волокно приварено к первому одномодовому оптическому волокну.

На фиг. 1 представлена схема линии задержки на основе волокна с сохранением поляризации для модификации прозрачных материалов; на фиг. 2 проиллюстрирован пример импульса лазерного источника входного излучения; на фиг. 3 проиллюстрированы два импульса с ортогональным состоянием поляризации и временной задержкой между ними; на фиг. 4 проиллюстрировано сечение одномодового оптического волокна с сохранением поляризации типа PANDA, показывающее угол φ между медленными осями оптических волокон такого типа; на фиг. 5 (а, б) проиллюстрированы два выходных ортогонально поляризованных импульсных излучения, каждое из которых имеет два импульса с одинаковой поляризацией и временной задержкой между ними .

Линия задержки на основе волокна с сохранением поляризации для модификации прозрачных материалов (фиг. 1) состоит из двух одномодовых оптических волокон с сохранением поляризации 1, 2, и делителя поляризации 3.

Принцип работы заключается в следующем. Линия задержки на основе оптического волокна с сохранением поляризации для модификации прозрачных материалов включает в себя два одномодовых оптических волокна с сохранением поляризации и делитель поляризации, где временная задержка между двумя ортогонально поляризованными модами импульса создается в первом одномодовом оптическом волокне с сохранением поляризации, второе одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации служит для смешивания основного и задержанного импульса с различной поляризацией у этих мод, а делитель поляризации выделяет из попадающего на него излучения два ортогонально поляризованных луча. Согласно схеме линии задержки на фиг. 1 входное излучение от лазерного источника вводится в одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации 1. Входное излучение должно представлять стабильный одиночный импульс, как проиллюстрировано на фиг. 2. Выходным концом лазерного источника входного излучения должно быть одномодовое оптическое волокно, которое соединяется с 1 через оптическую розетку или привариванием торцов оптических волокон друг к другу с помощью сварочного аппарата. Волокна с сохранением поляризации обладают разным показателем преломления вдоль двух ортогональных осей, за счет чего излучение при своем распространении по сердцевине оптического волокна испытывает задержку между ортогонально поляризованными модами из-за того, что одна пространственная мода распространяется вдоль оси оптического волокна с меньшим показателем преломления (быстрая ось), а вторая - вдоль оси с большим показателем преломления (медленная ось). Таким образом, между ортогонально поляризованными модами создается задержка по времени :

которая определяется длиной оптического волокна с сохранением поляризации L, скоростью света c, разностью показателей преломления между быстрой и медленной осями Импульс после прохождения одномодового оптического волокна с сохранением поляризации 1 представляет собой два импульса равной интенсивности с ортогональным состоянием поляризации и временной задержкой между ними , как проиллюстрировано на фиг. 3. При этом временная задержка между ортогонально поляризованными модами определяется только параметрами одномодового оптического волокна с сохранением поляризации 1, так как его длина много больше длины одномодового оптического волокна с сохранением поляризации 2, влиянием которой на временную задержку можно пренебречь. Далее одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации 1 приваривается к одномодовому оптическому волокну с сохранением поляризации 2 под углом φ между медленными осями этих волокон, как проиллюстрировано на фиг. 4. Угол φ в этом случае влияет на перераспределение интенсивности и выполняет роль аттенюатора между импульсами, проиллюстрированными на фиг. 3. После прохождения одномодового оптического волокна с сохранением поляризации 2, импульсное излучение с помощью делителя поляризации 3, разделяется на два выходных ортогонально поляризованных импульсных излучения, каждое из которых имеет два импульса с одинаковой поляризацией и временной задержкой между ними , как проиллюстрировано на фиг. 5.

Важно отметить, что выходным концом лазерного источника входного излучения может быть как одномодовое оптическое волокно без сохранения поляризации, так и сохранением поляризации, но во втором случае такое оптическое волокно должно привариваться к одномодовому оптическому волокну с сохранением поляризации 1 с углом 45° между медленными осями этих волокон.

Изобретение позволяет создавать из одного импульса, поступающего от лазерного источника входного излучения, два импульса с временной задержкой между ними, которая зависит только от параметров используемого одномодового оптического волокна с сохранением поляризации.

Изобретение относится к области волоконно-оптических линий задержки и может применяться в лазерных системах, предназначенных для модификации прозрачных материалов. Заявленная линия задержки на основе волокна с сохранением поляризации для модификации прозрачных материалов включает: первое одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации, создающее временную задержку между двумя ортогонально поляризованными модами импульса; второе одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации, предназначенное для смешивания основного и задержанного импульса с различной поляризацией; лазерный источник излучения, соединенный с первым одномодовым волокном; делитель поляризации, расположенный на выходе второго одномодового оптического волокна, выделяющий из попадающего на него излучения два ортогонально поляризованных луча; при этом второе одномодовое оптическое волокно приварено к первому одномодовому оптическому волокну. Техническим результатом является возможность создания из одного импульса, поступающего от лазерного источника входного излучения, двух импульсов с временной задержкой между ними, зависящей только от параметров используемого одномодового оптического волокна с сохранением поляризации. 5 ил.

Линия задержки на основе волокна с сохранением поляризации для модификации прозрачных материалов, включающая первое одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации, создающее временную задержку между двумя ортогонально поляризованными модами импульса; второе одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации, предназначенное для смешивания основного и задержанного импульса с различной поляризацией; лазерный источник излучения, соединенный с первым одномодовым волокном; делитель поляризации, расположенный на выходе второго одномодового оптического волокна, выделяющий из попадающего на него излучения два ортогонально поляризованных луча; при этом второе одномодовое оптическое волокно приварено к первому одномодовому оптическому волокну.