ВОЛНОВОД Российский патент 2025 года по МПК G02B6/10 

Область техники

Изобретение относится к области техники лазеров и оптических усилителей, а именно к высокоэффективным волоконным лазерам, действующим с высокой мощностью в режиме непрерывной волны (CW) с близким к одномодовому качеством пучка.

Волоконные лазеры, действующие с высокой эффективностью, с близким к одномодовому качеством пучка успешно используются для резки, сварки, маркировки и в множестве промышленных и научных приложений. Высокая эффективность и одномодовое качество пучка особенно востребованы для практического использования.

Уровень техники

Из уровня техники известен волоконный лазер RU 138508, предназначенный для усиления оптических сигналов и лазерной генерации с помощью иттербиевых волоконных световодов, в которых активной средой для получения лазерного эффекта является легированное ионами иттербия кварцевое (силикатное) стекло. Волоконный лазер содержит источник накачки и волоконный световод, содержащий активную среду на основе кварцевого стекла, состоящую из сердцевины и оболочки, отражающую брэгговскую решетку, и пропускающую брэгговскую решетку, при этом кварцевое стекло содержит легирующие добавки в составе: оксид алюминия (1÷3 мол. %), оксид германия (1÷5 мол. %), оксид иттербия (0.1÷1 мол. %), а отражающая и пропускающая брэгговские решетки размещены в сердцевине волоконного световода.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является создание оптоволокна, обеспечивающего одномодовое качество пучка.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности доставки энергии накачки от пассивного волокна к активному волокна. Дополнительным техническим результатом является снижение потери сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что волновод для одномодового волоконного лазера содержит активное волокно и пассивное волокно. При этом активное волокно имеет в сечении форму восьмигранника, содержащее центральную часть, выполненную в виде жилы легированной люминисирующими ионами редкоземельного элемента, и полимерную оболочку, имеющую слой кварцевого стекла, легированного фтором. Пассивное волокно выполнено из кварцевого стекла, легированного фтором, и имеет полимерную оболочку. Причем показатель преломления пассивного волокна меньше показателя преломления оболочки активного волокна на 3×10^-3. На заранее выбранном отрезке волновода пассивное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет большой диаметр и на среднем участке малый диаметр, а активное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет малый диаметр и на среднем участке большой диаметр. Активное волокно выполнено с возможностью размещения участка большего диаметра между участками меньшего диаметра пассивного волокна с образованием оптического и механического контакта в средних участках волокон, выполненных плоскими, для доставки энергии накачки от пассивного волокна к активному волокну.

Жила активного волокна 3 является многомодовой, имеет повышенный показатель преломления и легирована ионами редкоземельных элементов, напр., иттербия (Yb), эрбия (Er), неодима (Nd), тулия (Tm), гольмия (Но) и другими придающими люминесценцию ионами. Легирование жилы люминесцирующими ионами редкоземельного элемента составляет 50-90% от диаметра жилы, с концентрацией в диапазоне 200-500 ppm, что положительно влияет на эффективность доставки энергии накачки и снижает потерю сигнала.

Волновод выполнен с возможностью генерации излучения лазерной волны длиной 1040-1070 нм.

Активное волокно также получает концевую накачку в оболочку, при которой после того, как свет сигнала и свет накачки на длине волны λр≠λs объединены в мультиплексоре на входе, они далее запускаются в легированную жилу и оболочку активного волокна, соответственно. Демультиплексор на выходе выводит усиленный свет сигнала на длине волны λs.

Для эффективной работы волновода в схемах усилителей и лазеров необходимо:

1) обеспечить передачу энергии накачки в оболочку активного волокна,

2) обеспечить доставку энергии накачки к центрально легированной жиле активного волокна.

Для эффективной передачи энергии накачки в оболочку активного волокна необходим оптический (и механический) контакт пассивного и активного волокна, который обеспечивают полимерные оболочки и который контролируется во время вытяжки волновода.

Для улучшения передачи энергии накачки можно использовать пассивное волокно с несколько уменьшенным показателем преломления, чем у оболочки активного волокна (на 1-3×10^-3). Это достигается изменением состава стекла пассивного волокна легированием его фтором.

Для улучшения передачи энергии накачки можно также на обеих пре-формах шлифовкой создать плоские участки 12, соприкасающиеся при вытяжке волновода. При этом используется пассивное волокно из кварцевого стекла с несколько уменьшенным показателем преломления, а активное волокно имеет слой несколько уменьшенного показателя преломления, чем у оболочки активного волокна (на 1-3×10^-3), причем в этом слое активного волокна показатель преломления не должен быть ниже, чем у стекла пассивного волокна. Слой с пониженным показателем преломления создается нанесением кварцевого стекла, легированного фтором.

Волновод для одномодового волоконного лазера содержит активное волокно и пассивное волокно. При этом активное волокно имеет в сечении форму восьмигранника, содержащее центральную часть, выполненную в виде жилы легированной люминисирующими ионами редкоземельного элемента, и полимерную оболочку, имеющую слой кварцевого стекла, легированного фтором. Пассивное волокно выполнено из кварцевого стекла, легированного фтором, и имеет полимерную оболочку. Причем показатель преломления пассивного волокна меньше показателя преломления оболочки активного волокна на 3×10^-3. На заранее выбранном отрезке волновода пассивное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет большой диаметр и на среднем участке малый диаметр, а активное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет малый диаметр и на среднем участке большой диаметр. Активное волокно выполнено с возможностью размещения участка большего диаметра между участками меньшего диаметра пассивного волокна с образованием оптического и механического контакта в средних участках волокон, выполненных плоскими, для доставки энергии накачки от пассивного волокна к активному волокну.

Осуществление изобретения

Для эффективной передачи энергии накачки в оболочку активного волокна необходим оптический и механический контакт пассивного и активного волокна.

Формирование волновода происходит при вытяжке пары волокон из пары преформ, нанося полимерные оболочки сразу после вытяжки волокон. Пассивное волокно (1) служит для поставки энергии накачки к активному волокну. Жила активного волокна 3 является многомодовой, имеет повышенный показатель преломления и легирована ионами одного из редкоземельных элементов, напр., иттербия (Yb), эрбия (Er), неодима (Nd), тулия (Tm), гольмия (Но) и другими придающими люминесценцию ионами.

Для улучшения передачи энергии накачки используют пассивное волокно с уменьшенным показателем преломления, чем у оболочки активного волокна (на 3×10^-3). Это достигается изменением состава кварцевого стекла пассивного волокна легированием его фтором.

Свет накачки, попавший в оболочку активного волокна, движется (в лучевой картине) меридиональными и косыми лучами. Меридиональные лучи пересекают легированную жилу, где надежно поглощаются. Косые лучи с винтовыми траекториями, имеют внутреннюю и внешнюю каустики, ограничивая осциллирующую область фотонов в оболочке (вне каустик - затухающие области). Если внутренняя каустика лежит внутри жилы активного волокна, то поглощение косых лучей накачки высокое. Если внутренняя каустика лежит вне жилы, то поглощение низкое, и это снижает эффективность накачки.

Для более эффективной доставки энергии накачки к жиле активного волокна требуется перенаправить лучи, входящие в его оболочку из волокна накачки. Это достигается приданием активному волокну формы восьмигранника, что получается шлифовкой волоконной преформы.

Для получения усиленного выходного сигнал в одномодовом режиме, волновод вытягивают с варьированием диаметров пассивного и активного волокна таким образом, что на заранее запланированном отрезке длины волновода в начале и в конце отрезка пассивное волокно имеет большой диаметр, а в середине - малый, тогда как активное волокно имеет малый диаметр в начале и в конце отрезка, а в середине - большой.

Кроме того, при формировании жилы активного волокна, легированной ионами, придающими люминесценцию, это легирование выполняется в центральной части жилы. Тогда на среднем участке большого диаметра моды высоких порядков имеют гораздо меньшее перекрывание с частью, легированной люминесцентными примесями, следовательно, их усиление существенно ослаблено, тогда как фундаментальная мода имеет гораздо более высокое усиление (gain filtering - фильтрация усилением). Выходной сигнал, таким образом, будет существенно одномодовым.

Изобретение относится к области лазеров и оптических усилителей и предназначено для улучшения характеристик волноводов. Предложен волновод для одномодового волоконного лазера, содержащий активное волокно и пассивное волокно, при этом активное волокно имеет в сечении форму восьмигранника с центральной частью в виде жилы, легированной люминисирующими ионами редкоземельного элемента, и полимерную оболочку со слоем кварцевого стекла, легированного фтором. Пассивное волокно из кварцевого стекла легировано фтором и имеет полимерную оболочку, причем показатель преломления пассивного волокна меньше показателя преломления оболочки активного волокна на 3×10^-3, при этом на заранее выбранном отрезке волновода пассивное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет большой диаметр и на среднем участке малый диаметр, а активное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет малый диаметр и на среднем участке большой диаметр, причем активное волокно выполнено с возможностью размещения участка большего диаметра между участками меньшего диаметра пассивного волокна с образованием оптического и механического контакта в средних участках волокон, выполненных плоскими. Технический результат - повышение эффективности доставки энергии накачки от пассивного волокна к активному волокну и снижение потерь сигнала.

Волновод для одномодового волоконного лазера, содержащий активное волокно и пассивное волокно, активное волокно имеет в сечении форму восьмигранника, содержащее центральную часть, выполненную в виде жилы, легированной люминесцирующими ионами редкоземельного элемента, и полимерную оболочку, имеющую слой кварцевого стекла, легированного фтором, пассивное волокно выполнено из кварцевого стекла, легированного фтором, и имеет полимерную оболочку, показатель преломления пассивного волокна меньше показателя преломления оболочки активного волокна на 3×10^-3, пассивное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет больший диаметр, чем в середине, а активное волокно на участках в начале и в конце отрезка имеет меньший диаметр, чем в середине, активное волокно выполнено с возможностью размещения участка большего диаметра между участками меньшего диаметра пассивного волокна с образованием оптического и механического контакта в средних участках волокон, выполненных плоскими, для доставки энергии накачки от пассивного волокна к активному волокну, легирование жилы люминесцирующими ионами редкоземельного элемента составляет 50-90% от диаметра жилы с концентрацией в диапазоне 200-500 ppm, волновод выполнен с возможностью генерации излучения длиной 1040-1070 нм.