RU2564517C2 - Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions) - Google Patents
Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564517C2 RU2564517C2 RU2014100859/28A RU2014100859A RU2564517C2 RU 2564517 C2 RU2564517 C2 RU 2564517C2 RU 2014100859/28 A RU2014100859/28 A RU 2014100859/28A RU 2014100859 A RU2014100859 A RU 2014100859A RU 2564517 C2 RU2564517 C2 RU 2564517C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- radiation
- fiber
- resonator
- optical element
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к лазерам - приборам для генерации когерентных электромагнитных волн и промышленно применимо в устройствах и системах, использующих лазерное излучение.The present invention relates to lasers - devices for the generation of coherent electromagnetic waves and is industrially applicable in devices and systems using laser radiation.
Из существующего уровня техники известен волоконный импульсный линейный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения (WO 2004/059806 А2, Optical pulse lasers), в котором функции устройства синхронизации мод излучения выполняет насыщающийся поглотитель на основе углеродных нанотрубок, нанесенных на отражающее зеркало резонатора лазера. Основным недостатком насыщающих поглотителей, в том числе на основе углеродных нанотрубок, является их подверженность деградации при работе в условиях высокой плотности мощности падающего лазерного излучения, требуемой для достижения насыщения поглощения. В связи с этим характерный срок работы насыщающихся поглотителей составляет от нескольких сот до нескольких тысяч часов. Кроме того, приготовление однородной матрицы с углеродными нанотрубками и нанесение ее на зеркало лазера является сложным технологическим процессом, не всегда реализуемым даже в лабораторных условиях.A fiber pulsed linear laser with passive mode locking (WO 2004/059806 A2, Optical pulse lasers) is known in the prior art, in which a saturable absorber based on carbon nanotubes deposited on a reflecting mirror of a laser resonator performs the function of a mode locking device. The main disadvantage of saturating absorbers, including those based on carbon nanotubes, is their susceptibility to degradation when operating under conditions of high power density of the incident laser radiation required to achieve absorption saturation. In this regard, the typical life of saturable absorbers ranges from several hundred to several thousand hours. In addition, the preparation of a homogeneous matrix with carbon nanotubes and its deposition on a laser mirror is a complex technological process, which is not always possible even in laboratory conditions.
Известен также дисковый лазер с синхронизацией мод излучения с помощью керровской линзы в оптическом элементе, расположенном в резонаторе лазера в перетяжке пучка лазерного излучения (WO 2013050054 A1, Laser device with kerr effect based mode-locking and operation thereof). Недостатком этого решения является то, что оно предусмотрено только для лазеров с дисковой активной средой и не предусматривает использование предложенного устройства синхронизации мод излучения в волоконном лазере.Also known is a disk laser with synchronization of radiation modes using a Kerr lens in an optical element located in the laser cavity in the constriction of a laser beam (WO 2013050054 A1, Laser device with kerr effect based mode-locking and operation this). The disadvantage of this solution is that it is provided only for lasers with a disk active medium and does not provide for the use of the proposed radiation mode synchronization device in a fiber laser.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод излучения за счет применения полупроводникового насыщающегося поглотителя (US patent 6097741, Passively mode-locked fiber lasers). Недостатком этого решения является подверженность полупроводниковых насыщающихся поглотителей деградации при работе в условиях высокой плотности мощности падающего лазерного излучения, максимальное время службы полупроводникового насыщающегося поглотителя не превышает несколько тысяч часов. Кроме того, изготовление полупроводникового насыщающегося поглотителя и совмещение его с зеркалом резонатора является сложной технологической задачей, требующей специального дорогостоящего оборудования, специальных дорогостоящих материалов и высокой квалификации.Closest to the claimed technical solution is a fiber laser with passive synchronization of radiation modes through the use of a semiconductor saturable absorber (US patent 6097741, Passively mode-locked fiber lasers). The disadvantage of this solution is the susceptibility of semiconductor saturable absorbers to degradation when operating under conditions of high power density of the incident laser radiation, the maximum service life of a semiconductor saturable absorber does not exceed several thousand hours. In addition, the manufacture of a semiconductor saturable absorber and its combination with a resonator mirror is a complex technological task requiring special expensive equipment, special expensive materials and high qualifications.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание волоконного импульсного линейного лазера с пассивным синхронизатором мод излучения, не требующем применения сложных дорогостоящих технологий и материалов для его изготовления, имеющего неограниченный срок службы и имеющего возможность спектральной перестройки линии излучения в широком спектральном диапазоне.The problem to which the claimed invention is directed, is to create a fiber pulsed linear laser with a passive radiation mode synchronizer that does not require the use of complex expensive technologies and materials for its manufacture, which has an unlimited service life and has the ability to spectrally reconstruct the emission line in a wide spectral range.
Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном линейном лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально-селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора, согласно изобретению зеркало резонатора расположено на одной поверхности прозрачного для излучения лазера оптического элемента с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм, другая поверхность которого расположена между зеркалом и фокусирующим излучение оптическим элементом и имеет угол наклона более одного градуса к оси резонатора лазера.This problem is solved due to the fact that in the known fiber pulsed linear laser with passive synchronization of radiation modes, containing an optically coupled pump radiation source supporting a radiation polarization, a fiber linear resonator containing a spectrally selective reflective element, a collimator, a fiber end face that is not reflecting in series laser radiation back into this fiber-reinforcing fiber, at least one fiber spectral reduction module for introducing pump radiation into the an onator, at least one polarization-dependent coupler for outputting radiation from the resonator, an end face of the fiber that does not reflect the laser radiation back into the fiber, a collimator, focusing the radiation optical element, a resonator mirror, according to the invention, the resonator mirror is located on one surface of a laser-transparent optical element with Kerr nonlinearity and a thickness of more than 0.5 mm, the other surface of which is located between the mirror and the optical element focusing the radiation and has an angle of inclination of more than one degree to the axis of the laser cavity.
В частности, другая поверхность оптического элемента с керровской нелинейностью может иметь просветляющее покрытие.In particular, another surface of an optical element with Kerr nonlinearity may have an antireflection coating.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.In particular, the spectrally selective reflective element may be a prism in combination with a reflecting mirror or a Littrov prism with a reflective coating on the surface onto which the laser beam normally falls after refraction on the input Brewster surface of the prism.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.In particular, the spectrally selective reflective element may be a fiber Bragg grating or a bulk diffraction grating.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться зеркало с заданной спектральной полосой отражения.In particular, the spectrally selective reflective element may be a mirror with a given spectral reflection band.
В частности, коллиматоры и фокусирующий излучение оптический элемент могут иметь просветляющие покрытия.In particular, collimators and a focusing radiation optical element may have antireflection coatings.
В частности, между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.In particular, between the focusing radiation optical element and the collimator nearest to it, a polarizer can be located with passable surfaces for laser radiation having an angle of inclination to the laser resonator axis of at least one degree.
В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.In particular, a Raman laser can be used as a source of pump radiation from a fiber laser when fiberglass doped with germanium, phosphorus, and a combination of them is used as an amplifying fiber, while the compound of the chemical element Si, Ν, Ga, Al, Fe can enter the oxide matrix , F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi, and the Raman laser cavity can be formed by two fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined strokes and reflecting the radiation of the first Stokes component anovskogo laser.
В частности, резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.In particular, the Raman laser resonator can be formed by four fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined lines, two of which are reflective for the radiation of the first Stokes component of the Raman laser, and the other two are reflective for the radiation of the second Stokes component of the Raman laser.
Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном линейном лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально-селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора, согласно изобретению между зеркалом резонатора и фокусирующим излучение оптическим элементом расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.This problem is solved due to the fact that in the known fiber pulsed linear laser with passive synchronization of radiation modes, containing an optically coupled pump radiation source supporting a radiation polarization, a fiber linear resonator containing a spectrally selective reflective element, a collimator, a fiber end face that is not reflecting in series laser radiation back into this fiber-reinforcing fiber, at least one fiber spectral reduction module for introducing pump radiation into the an onator, at least one polarization-dependent coupler for outputting radiation from the resonator, an end face of the fiber that does not reflect the laser radiation back into this fiber, a collimator, an optical element focusing the radiation, a resonator mirror, according to the invention, an optical element is located between the resonator mirror and the optical element focusing the radiation Kerr nonlinearity and a thickness of more than 0.5 mm with passages for laser radiation surfaces having an angle of inclination to the axis of the laser cavity of at least one degree.
В частности, обе поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют просветляющее покрытие.In particular, both surfaces of an optical element with Kerr nonlinearity have an antireflection coating.
В частности, расстояние между зеркалом резонатора и ближайшей к нему поверхностью оптического элемента с керровской нелинейностью не превышает 1 мм.In particular, the distance between the resonator mirror and the surface of the optical element with the Kerr nonlinearity nearest to it does not exceed 1 mm.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.In particular, the spectrally selective reflective element may be a prism in combination with a reflecting mirror or a Littrov prism with a reflective coating on the surface onto which the laser beam normally falls after refraction on the input Brewster surface of the prism.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.In particular, the spectrally selective reflective element may be a fiber Bragg grating or a bulk diffraction grating.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться зеркало с заданной спектральной полосой отражения.In particular, the spectrally selective reflective element may be a mirror with a given spectral reflection band.
В частности, коллиматоры и фокусирующий излучение оптический элемент имеют просветляющие покрытия.In particular, the collimators and the focusing radiation optical element have antireflection coatings.
В частности, между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.In particular, between the focusing radiation optical element and the collimator nearest to it, a polarizer can be located with passable surfaces for laser radiation having an angle of inclination to the laser resonator axis of at least one degree.
В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.In particular, a Raman laser can be used as a source of pump radiation from a fiber laser when fiberglass doped with germanium, phosphorus, and a combination of them is used as an amplifying fiber, while the compound of the chemical element Si, Ν, Ga, Al, Fe can enter the oxide matrix , F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi, and the Raman laser cavity can be formed by two fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined strokes and reflecting the radiation of the first Stokes component anovskogo laser.
В частности, что резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.In particular, the Raman laser resonator can be formed by four fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined lines, two of which are reflective for the radiation of the first Stokes component of the Raman laser, and the other two are reflective for the radiation of the second Stokes component of the Raman laser.
Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном импульсном линейном лазере с пассивной синхронизацией мод излучения, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный линейный резонатор, содержащий последовательно расположенные спектрально-селективный отражающий элемент, коллиматор, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, усиливающее волокно, минимум один волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, минимум один поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, коллиматор, фокусирующий излучение оптический элемент, зеркало резонатора, согласно изобретению зеркало резонатора является сферическим, между сферическим зеркалом резонатора и фокусирующим излучение оптическим элементом в перетяжке пучка излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью и толщиной более 0,5 мм с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.This problem is solved due to the fact that in the known fiber pulsed linear laser with passive synchronization of radiation modes, containing an optically coupled pump radiation source supporting a radiation polarization, a fiber linear resonator containing a spectrally selective reflective element, a collimator, a fiber end face that is not reflecting in series laser radiation back into this fiber-reinforcing fiber, at least one fiber spectral reduction module for introducing pump radiation into the heator, at least one polarization-dependent coupler for outputting radiation from the resonator, the end of the fiber that does not reflect the laser radiation back into this fiber, the collimator, the focusing radiation optical element, the mirror of the resonator, according to the invention, the resonator mirror is spherical, between the spherical mirror of the resonator and the focusing radiation an optical element in the constriction of the radiation beam is an optical element with a Kerr nonlinearity and a thickness of more than 0.5 mm with passable surfaces for laser radiation and having an angle of inclination to the axis of the laser cavity of at least one degree.
В частности, обе поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью имеют просветляющее покрытие.In particular, both surfaces of an optical element with Kerr nonlinearity have an antireflection coating.
В частности, обе поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью являются брюстеровскими.In particular, both surfaces of an optical element with Kerr nonlinearity are Brewster.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.In particular, the spectrally selective reflective element may be a prism in combination with a reflecting mirror or a Littrov prism with a reflective coating on the surface onto which the laser beam normally falls after refraction on the input Brewster surface of the prism.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.In particular, the spectrally selective reflective element may be a fiber Bragg grating or a bulk diffraction grating.
В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться зеркало с заданной спектральной полосой отражения.In particular, the spectrally selective reflective element may be a mirror with a given spectral reflection band.
В частности, коллиматоры и фокусирующий излучение оптический элемент имеют просветляющие покрытия.In particular, the collimators and the focusing radiation optical element have antireflection coatings.
В частности, между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором может быть расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.In particular, between the focusing radiation optical element and the collimator nearest to it, a polarizer can be located with passable surfaces for laser radiation having an angle of inclination to the laser resonator axis of at least one degree.
В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может являться рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, Ν, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера может быть образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.In particular, a Raman laser can be used as a source of pump radiation from a fiber laser when fiberglass doped with germanium, phosphorus, and a combination of them is used as an amplifying fiber, while the compound of the chemical element Si, Ν, Ga, Al, Fe can enter the oxide matrix , F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi, and the Raman laser resonator can be formed by two fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined strokes and reflecting the radiation of the first Stokes component of the frames Anovsky laser.
В частности, что резонатор рамановского лазера может быть образован четырьмя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи, две из которых являются отражающими для излучения первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие являются отражающими для излучения второй стоксовой компоненты рамановского лазера.In particular, the Raman laser resonator can be formed by four fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined lines, two of which are reflective for the radiation of the first Stokes component of the Raman laser, and the other two are reflective for the radiation of the second Stokes component of the Raman laser.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является достижение малой длительности импульсов выходного излучения волоконного лазера с возможностью перестройки спектра излучения и обеспечение стабильности полученных параметров излучения в течение неограниченного времени. Малая длительность импульсов достигается за счет реализации режима синхронизации мод излучения с использованием эффекта Керра (квадратичный электрооптический эффект), обеспечивающего быстрый нелинейный отклик среды с характерным временем отклика порядка 10-14-10-15 с. Эффект Керра приводит к изменению значения показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля, что в случае осесимметричного гауссового пучка излучения или подобного, имеющего поперечное распределение интенсивности излучения, ″спадающее″ к краям пучка, приводит к образованию в среде наведенной так называемой ″керровской линзы″ - распределению значения показателя преломления, действующему на пучок проходящего излучения как линза. Для большинства оптических материалов, обладающий керровской нелинейностью (кварц, поликомпонентные стекла класса ТФ, сапфир, кальцит и другие) эта линза является положительной. Формирование быстрой керровской линзы в резонаторе лазера позволяет создать конфигурацию резонатора, при которой высокоинтенсивной импульс лазерного излучения имеет малые оптические потери, а длинный импульс или непрерывное излучение имеют большие оптические потери. Совместное действие керровской линзы в оптическом элементе с керровской нелинейностью и пространственной фильтрации моды (при вводе излучения в волокно), соответствующей излучению импульсов с наибольшей пиковой мощностью, приводит к селекции режима генерации коротких импульсов излучения с высокой пиковой мощностью.The technical result provided by the given set of features is to achieve a short pulse duration of the output radiation of a fiber laser with the possibility of tuning the emission spectrum and ensuring the stability of the obtained radiation parameters for unlimited time. The short pulse duration is achieved by implementing the radiation mode synchronization mode using the Kerr effect (quadratic electro-optical effect), which provides a fast nonlinear response of the medium with a characteristic response time of the order of 10 -14 -10 -15 -15 s. The Kerr effect leads to a change in the refractive index of the optical material in proportion to the square of the applied electric field, which, in the case of an axisymmetric Gaussian beam of radiation or the like, having a transverse distribution of radiation intensity, “decaying” to the edges of the beam, leads to the formation of a so-called “Kerr” induced in the medium lens ″ - the distribution of the refractive index value acting on the beam of transmitted radiation as a lens. For most optical materials, which has Kerr nonlinearity (quartz, multicomponent glass of the TF class, sapphire, calcite, and others), this lens is positive. The formation of a fast Kerr lens in the laser cavity allows you to create a resonator configuration in which a high-intensity laser pulse has low optical loss, and a long pulse or continuous radiation has large optical loss. The combined action of the Kerr lens in an optical element with Kerr nonlinearity and spatial mode filtering (when radiation is introduced into the fiber), corresponding to the emission of pulses with the highest peak power, leads to the selection of the generation mode of short radiation pulses with high peak power.
Необходимо отметить, что ни одно отдельно взятое устройство не дает такого эффекта, какой дает совокупность заявленных признаков. До подачи данной заявки было неочевидно, что совокупность заявленных признаков позволит решить задачу создания волоконного импульсного линейного лазера с пассивным синхронизатором мод излучения, не требующем применения сложных дорогостоящих технологий и материалов для его изготовления, имеющего неограниченный срок службы и имеющего возможность спектральной перестройки линии излучения в широком спектральном диапазоне.It should be noted that no single device taken gives the effect that gives a combination of the claimed features. Prior to the filing of this application, it was not obvious that the combination of the claimed features would solve the problem of creating a fiber pulsed linear laser with a passive radiation mode synchronizer that does not require the use of complex expensive technologies and materials for its manufacture, which has an unlimited service life and has the ability to spectrally reconstruct the emission line in a wide spectral range.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
На фиг. 1 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения: 1 - источник излучения накачки, 2 - спектрально-селективный отражающий элемент, 3 - коллиматор, 4 - торец волокна линейного резонатора, 5 - поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, 6 - волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в резонатор, 7 - поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора, 8 - волокно для вывода выходного излучения, 9 - торец волокна линейного резонатора, 10 - коллиматор, 11 - фокусирующий излучение оптический элемент, 12 - оптический элемент с керровской нелинейностью, 13 - зеркало резонатора, 14 - другая поверхность оптического элемента с керровской нелинейностью.In FIG. Figure 1 shows a diagram of a pulsed linear laser with passive synchronization of radiation modes: 1 — pump radiation source, 2 — spectrally selective reflecting element, 3 — collimator, 4 — end face of the linear resonator fiber, 5 — amplifying fiber supporting polarization of radiation, 6 — fiber module spectral information for introducing pump radiation into the resonator, 7 — polarization-dependent coupler for outputting radiation from the resonator, 8 — fiber for outputting output radiation, 9 — end face of the linear resonator fiber, 10 - collimator, 11 - optical element focusing radiation, 12 - optical element with Kerr nonlinearity, 13 - resonator mirror, 14 - other surface of the optical element with Kerr nonlinearity.
На фиг. 2 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором спектрально-селективным отражающим элементом 2 является призма в сочетании с отражающим зеркалом.In FIG. 2 is a schematic diagram of a fiber pulsed linear laser with passive mode locking in which the spectrally selective reflecting
На фиг. 3 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором спектрально-селективным отражающим элементом 2 является призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной брюстеровской поверхности призмы.In FIG. Figure 3 shows a diagram of a fiber-pulsed linear laser with passive mode locking in which the spectrally selective reflecting
На фиг. 4 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором между зеркалом резонатора и фокусирующим оптическим элементом расположен оптический элемент с керровской нелинейностью, поверхности которого имеют угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.In FIG. Figure 4 shows a diagram of a fiber pulsed linear laser with passive synchronization of radiation modes, in which an optical element with Kerr nonlinearity is located between the cavity mirror and the focusing optical element, the surfaces of which have an angle of inclination from the laser cavity axis of at least one degree.
На фиг. 5 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором зеркало резонатора является сферическим, между сферическим зеркалом резонатора и фокусирующим элементом в перетяжке пучка излучения расположен оптический элемент с керровской нелинейностью, поверхности которого имеют угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.In FIG. Figure 5 shows a diagram of a fiber pulsed linear laser with passive synchronization of radiation modes, in which the resonator mirror is spherical, between the spherical mirror of the resonator and the focusing element in the waist of the radiation beam there is an optical element with Kerr nonlinearity, the surfaces of which have an angle of inclination from the laser axis of at least one degrees.
На фиг. 6 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором источником излучения накачки волоконного лазера является рамановский лазер, при этом резонатор рамановского лазера образован двумя волоконными брэгговскими решетками, имеющими перпендикулярные лучу или наклонные штрихи и отражающими излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.In FIG. Figure 6 shows a diagram of a fiber-pulsed linear laser with passive mode-locking, in which the Raman laser is the source of the pump laser radiation, and the Raman laser cavity is formed by two fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined lines and reflecting the radiation of the first Stokes component of the Raman laser.
На фиг. 7 представлена схема волоконного импульсного линейного лазера с пассивной синхронизацией мод излучения, в котором между фокусирующим излучение оптическим элементом и ближайшим к нему коллиматором расположен поляризатор с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.In FIG. Figure 7 shows a diagram of a pulsed linear linear laser with passive mode-locking, in which a polarizer is located between the focusing radiation optical element and the nearest collimator with surfaces passing through for the laser radiation and having an angle of inclination from the laser cavity axis of at least one degree.
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
Излучение накачки, генерируемое источником 1 оптического излучения накачки, через волоконный модуль спектрального сведения 6 попадает в усиливающее волокно 5, переводя усиливающую среду лазера в активное состояние; генерация лазера осуществляется в линейном резонаторе, зеркалами которого являются: спектрально-селективный отражающий элемент 2 и отражающая поверхность 13, которая является плоской при ее расположении на одной стороне оптического элемента с керровской нелинейностью или сферической при ее расположении на сферическом зеркале. Поверхность (или поверхности) 14 оптического элемента с керровской нелинейностью имеет (или имеют) просветляющее покрытие. Торцы волокна 4 и 9 имеют наклонные поверхности (сколы), не отражающие излучение лазера назад в это волокно. Коллимирование выходящего из торцов волокна излучения производится коллиматорами 3 и 10. Фокусировка излучения на элемент с керровской нелинейной осуществляется фокусирующим элементом 11. В качестве коллиматоров и фокусирующего элемента могут быть использованы как линзы, так и объективы. Выходное излучение лазера 8 выводится из резонатора лазера через поляризационно-зависимый ответвитель 7. Использование ответвителя 7 с поляризационной дискриминацией в сочетании с поддерживающим поляризацию излучения усиливающим волокном позволяет осуществлять внутри резонатора лазера генерацию линейно-поляризованного излучения и устранить эффект нелинейной эволюции поляризации излучения, который мог бы проявляться при генерации лазером неполяризованного излучения. Поляризационная дискриминация излучения внутри резонатора лазера может быть усилена с помощью поляризатора 16 (фиг. 7). Устранение эффекта нелинейной эволюции поляризации излучения (паразитного в данном случае) необходимо для реализации синхронизации мод излучения только на основе эффекта Керра, изменяющего значение показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля. Эффект Керра обеспечивает быстрый нелинейный отклик среды с характерным временем отклика порядка 10-14-10-15 с, что позволяет с использованием этого эффекта генерировать предельно короткие импульсы излучения, длительность которых может составлять всего один период колебаний электромагнитного поля. Керровская линза может ухудшать или улучшать настройку резонатора лазера за счет изменения фокусировки излучения. Например, если фокус пучка излучения на фиг. 1 находится за поверхностью 13 (расстояние между фокусирующим элементом 11 и отражающей поверхностью 13 меньше фокусного расстояния фокусирующего элемента 11), то керровская линза в оптическом элементе 12 позволит перенести фокус излучения на поверхность 13. В этом случае без керровской линзы потери излучения в резонаторе больше, так как фокус излучения расположен не на отражающей поверхности 13, а за ней. Соответственно, короткий высокоинтенсивный импульс лазерного излучения будет иметь меньшие оптические потери в таком резонаторе, чем длинный импульс или непрерывное излучение. Именно поэтому в таком изначально слегка расстроенном резонаторе лазера (фокус излучения лежит не на отражающей поверхности, а за ней) предпочтительным является режим синхронизации мод излучения за счет эффекта Керра, так как импульсное излучение лазера в этом режиме имеет меньшие оптические потери.The pump radiation generated by the optical
Такая синхронизация мод излучения может быть реализован как в случае расположения оптического элемента с керровской нелинейностью вблизи фокуса излучения (фиг. 1), так и в случае расположения оптического элемента с керровской нелинейностью в фокусе излучения (фиг. 5). В этом случае изначально слегка расстроенный резонатор лазера (поверхность излучения равных фаз не совпадает со сферической отражающей поверхностью 13) за счет эффекта Керра в оптическом элементе 12 улучшает настройку - поверхность излучения равных фаз совпадает со сферической отражающей поверхностью 13.Such a synchronization of radiation modes can be realized both in the case of the arrangement of an optical element with Kerr nonlinearity near the focus of radiation (Fig. 1), and in the case of the arrangement of an optical element with Kerr nonlinearity in the focus of radiation (Fig. 5). In this case, the initially slightly detuned laser resonator (the radiation surface of equal phases does not coincide with the spherical reflective surface 13) due to the Kerr effect in the
Для улучшения степени поляризации излучения лазера между коллиматором 10 и фокусирующим элементом 11 может располагаться поляризатор 16 (фиг. 7) с проходными для излучения лазера поверхностями, имеющими угол наклона к оси резонатора лазера не менее одного градуса.To improve the degree of polarization of the laser radiation between the
Расположенные между отражателями резонатора лазера 2 и 13 все отражающие поверхности элементов резонатора лазера не должны отражать излучение назад в резонатор, иначе отраженное от этих поверхностей излучение может инициировать паразитную генерацию, неспособную решить задачу заявляемого изобретения. Торцы волокна 4 и 9 не отражают излучение лазера назад в это волокно за счет того, что имеют или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). Отражающие поверхности поляризатора (фиг. 7) наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса и могут иметь просветляющее покрытие. Просветляющее покрытие могут иметь также коллиматоры 3 и 10, фокусирующий элемент 11, одна (фиг. 1-3) или две (фиг. 4, 5) поверхности оптического элемента с керровской нелинейностью.Located between the reflectors of the
Синхронизация мод излучения на основе керровской линзы выгодно отличается от синхронизации мод на основе насыщающихся поглотителей тем, что керровская линза имеет неограниченный срок службы, работает в широком спектральном диапазоне, порог ее использования по плотности мощности излучения ограничивается только порогом разрушения самого материала.The synchronization of radiation modes based on the Kerr lens compares favorably with the synchronization of modes based on saturable absorbers in that the Kerr lens has an unlimited service life, operates in a wide spectral range, the threshold for its use in terms of radiation power density is limited only by the threshold for the destruction of the material itself.
Существует много оптических материалов, обладающих керровской нелинейностью и прозрачных в широком спектральном диапазоне - кварц, поликомпонентные стекла класса ТФ, сапфир, кальцит и другие. Керровская линза может формироваться в элементах из этих материалов в широком диапазоне спектра, что позволяет использовать такие элементы как для перестраиваемых по длине волны излучения лазеров, так и для лазеров с различными длинами волн излучения. Поскольку эффект Керра является нелинейным оптическим эффектом, вызывающем изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля, то наиболее сильно он проявляется при большой плотности мощности излучения, что в заявляемом изобретении обеспечивается расположением оптического элемента с керровской нелинейностью вблизи фокуса излучения или в фокусе излучения. Острая фокусировка лазерного излучения относительно короткофокусным элементом с фокусом 30-50 мм позволяет сформировать заметную керровскую линзу в оптических элементах, обладающих керровской нелинейностью, толщиной более 0,5 мм.There are many optical materials that have Kerr nonlinearity and are transparent in a wide spectral range - quartz, multicomponent TF glasses, sapphire, calcite, and others. The Kerr lens can be formed in elements of these materials in a wide spectral range, which makes it possible to use such elements for lasers tunable by the radiation wavelength and for lasers with different radiation wavelengths. Since the Kerr effect is a nonlinear optical effect that causes changes in the refractive index of the optical material in proportion to the second degree of applied electric field strength, it manifests itself most strongly at a high radiation power density, which in the present invention is ensured by the location of the optical element with Kerr nonlinearity near the radiation focus or in focus of radiation. The sharp focusing of laser radiation with a relatively short-focus element with a focus of 30–50 mm makes it possible to form a noticeable Kerr lens in optical elements with Kerr nonlinearity with a thickness of more than 0.5 mm.
Заявляемое изобретение может быть реализовано с использованием широкого ряда усиливающих волокон - волокон, допированных редкоземельными ионами, такими как эрбий (Er3+), неодим (Nd3+), иттербий (Yb3+), тулий (Tm3+), гольмий (Но3+), висмут (Bi3+) и другими, а также рамановских волокон.The claimed invention can be implemented using a wide range of reinforcing fibers - fibers doped with rare earth ions, such as erbium (Er 3+ ), neodymium (Nd 3+ ), ytterbium (Yb 3+ ), thulium (Tm 3+ ), holmium ( But 3+ ), bismuth (Bi 3+ ) and others, as well as Raman fibers.
При использовании рамановского лазера в качестве источника излучения накачки волоконного лазера спектр полосы усиления волоконного лазера соответствует либо спектру первой стоксовой компоненты рамановского лазера (без использования дополнительных брэгговских решеток), либо спектру второй стоксовой компоненты рамановского лазера (при использовании двух брэгговских решеток, ″запирающих″ излучение первой стоксовой компоненты), либо спектру третьей стоксовой компоненты рамановского лазера (при использовании четырех брэгговских решеток, две из которых ″запирают″ излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера, а две другие ″запирают″ излучение второй стоксовой компоненты рамановского лазера). Описанные схемы соответствуют однокаскадному, двухкаскадному и трехкаскадному рамановскому лазеру. Использование рамановского лазера в качестве источника излучения накачки волоконного лазера позволяет осуществлять генерацию заявляемого лазера в широком спектральном диапазоне, в том числе в тех участках спектра, в которых не обеспечивают усиление волокна, допированные редкоземельными ионами.When using a Raman laser as a fiber laser pump radiation source, the spectrum of the fiber laser gain band corresponds to either the spectrum of the first Stokes component of the Raman laser (without using additional Bragg gratings) or the spectrum of the second Stokes component of a Raman laser (when using two Bragg gratings that block radiation the first Stokes component), or the spectrum of the third Stokes component of a Raman laser (when using four Bragg modes etok, two of which are "locked" radiation of the first Stokes component of the Raman laser and the other two "lock" the radiation of the second Stokes component of the Raman laser). The described circuits correspond to a single-stage, two-stage, and three-stage Raman laser. The use of a Raman laser as a source of radiation from a fiber laser pump allows the inventive laser to be generated in a wide spectral range, including in those parts of the spectrum in which fiber doped with rare-earth ions does not provide amplification.
Число каскадов рамановского лазера, используемого в качестве источника излучения накачки волоконного лазера, может быть больше трех, однако КПД преобразования излучения рамановского лазера уменьшается с числом каскадов, поэтому обычно длина волны накачки рамановского лазера выбирается как можно ближе к требуемому спектральному диапазону генерации для того, чтобы минимизировать число каскадов рамановского лазера и обеспечить больший КПД лазерной системы.The number of cascades of a Raman laser used as a fiber laser pump radiation source can be more than three, however, the conversion efficiency of the Raman laser radiation decreases with the number of stages, therefore, the pump wavelength of a Raman laser is usually chosen as close as possible to the required spectral range of generation in order to minimize the number of cascades of the Raman laser and provide greater efficiency of the laser system.
Возможность использования в качестве усиливающей среды волокон, допированных редкоземельными ионами, а также рамановских волокон, в сочетании с возможностью плавной перестройки спектра излучения и керровским ″всеволновым″ элементом синхронизации мод излучения позволяет осуществлять генерацию коротких импульсов заявляемого лазера в ультра широком спектральном диапазоне, соответствующем пересечению областей прозрачности используемых в лазере оптических материалов.The possibility of using fibers doped with rare-earth ions as well as Raman fibers as an amplifying medium, in combination with the possibility of smoothly tuning the emission spectrum and the Kerr “all-wave” element of the radiation mode synchronization, allows the generation of short pulses of the claimed laser in an ultra wide spectral range corresponding to the intersection of regions transparency of the optical materials used in the laser.
Claims (35)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014100859/28A RU2564517C2 (en) | 2014-01-10 | 2014-01-10 | Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014100859/28A RU2564517C2 (en) | 2014-01-10 | 2014-01-10 | Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014100859A RU2014100859A (en) | 2015-07-20 |
| RU2564517C2 true RU2564517C2 (en) | 2015-10-10 |
Family
ID=53611437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014100859/28A RU2564517C2 (en) | 2014-01-10 | 2014-01-10 | Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2564517C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781369C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-10-11 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Source of enhanced spontaneous emission |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2124185C1 (en) * | 1997-05-13 | 1998-12-27 | Михаил Афанасьевич Новиков | Optical gyroscope with passive ring resonator |
| US6097741A (en) * | 1998-02-17 | 2000-08-01 | Calmar Optcom, Inc. | Passively mode-locked fiber lasers |
| US20060209908A1 (en) * | 2003-10-24 | 2006-09-21 | Nkt Research & Innovation A/S | An Optical System For Providing Short Laser-Pulses |
| EP1720223A1 (en) * | 2005-05-07 | 2006-11-08 | Aarhus Universitet | Environmentally stable self-starting mode-locked waveguide laser and a method of generating mode-locked laser pulses |
| US20100220751A1 (en) * | 2006-09-18 | 2010-09-02 | Chin Yu Chong | All-Normal-Dispersion Femtosecond Fiber Laser |
| WO2012109066A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-08-16 | Coherent, Inc. | Optical parametric oscillator pumped by femtosecond thin-disk laser |
-
2014
- 2014-01-10 RU RU2014100859/28A patent/RU2564517C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2124185C1 (en) * | 1997-05-13 | 1998-12-27 | Михаил Афанасьевич Новиков | Optical gyroscope with passive ring resonator |
| US6097741A (en) * | 1998-02-17 | 2000-08-01 | Calmar Optcom, Inc. | Passively mode-locked fiber lasers |
| US20060209908A1 (en) * | 2003-10-24 | 2006-09-21 | Nkt Research & Innovation A/S | An Optical System For Providing Short Laser-Pulses |
| EP1720223A1 (en) * | 2005-05-07 | 2006-11-08 | Aarhus Universitet | Environmentally stable self-starting mode-locked waveguide laser and a method of generating mode-locked laser pulses |
| US20100220751A1 (en) * | 2006-09-18 | 2010-09-02 | Chin Yu Chong | All-Normal-Dispersion Femtosecond Fiber Laser |
| WO2012109066A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-08-16 | Coherent, Inc. | Optical parametric oscillator pumped by femtosecond thin-disk laser |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781369C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-10-11 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Source of enhanced spontaneous emission |
| RU2801363C1 (en) * | 2023-02-16 | 2023-08-08 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | Generation of ultrashort pulses in submicron region of the spectrum on neodymium fibre in all-fibre circuit |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014100859A (en) | 2015-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8995478B1 (en) | Passively mode-locked pulsed fiber laser | |
| US8213070B2 (en) | Wave-plate structures, power selective optical filter devices, and optical systems using same | |
| US8854713B2 (en) | Power selective optical filter devices and optical systems using same | |
| US5015054A (en) | Apparatus and method for increasing the bandwidth of a laser beam | |
| TW201304333A (en) | Q-switching-induced gain-switched erbium pulse laser system | |
| US20080187010A1 (en) | Laser Device Triggered by a Photonic Fibre | |
| CN106469887B (en) | Double-pass amplifier of photonic crystal fiber | |
| CN111509552A (en) | Passive Q-switched solid laser | |
| RU2564519C2 (en) | Passively mode-locked fibre pulsed ring laser (versions) | |
| US20090245294A1 (en) | Fibre Laser with Intra-cavity Frequency Doubling | |
| US9972966B2 (en) | Method and a system for converting an input light into an output light beam | |
| WO2024001392A1 (en) | Solid-state laser based on nonlinear amplifying loop mirror | |
| US8194310B1 (en) | All fiber pulse generator for pumping a non-linear converter | |
| RU2328064C2 (en) | Fiber intracavity-doubled laser (variants) | |
| CN102332676A (en) | Mid-infrared fiber laser | |
| JPS62500761A (en) | Raman laser that requires a single reflector | |
| RU2564517C2 (en) | Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions) | |
| CN115377783A (en) | Double-frequency pulse laser | |
| Jain et al. | Passive coherent locking of fiber lasers using volume Bragg gratings | |
| Sakai et al. | Polarization stabilizing for diode-pumped passively Q-switched Nd: YAG microchip lasers | |
| EP3712664A1 (en) | Depolarization compensator | |
| EP2835881B1 (en) | Optical amplifier arrangement | |
| CN208986364U (en) | Mode locked fiber laser based on space division multiplexing SESAM module | |
| Hakola et al. | Energetic Bessel–Gauss pulses from diode-pumped solid-state lasers | |
| CN113270785A (en) | Continuous wave 1.5 mu m human eye safety all-solid-state self-Raman laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170111 |