RU2654987C1 - Method of selection of transverse modes of multimode fiber laser - Google Patents
Method of selection of transverse modes of multimode fiber laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2654987C1 RU2654987C1 RU2017112266A RU2017112266A RU2654987C1 RU 2654987 C1 RU2654987 C1 RU 2654987C1 RU 2017112266 A RU2017112266 A RU 2017112266A RU 2017112266 A RU2017112266 A RU 2017112266A RU 2654987 C1 RU2654987 C1 RU 2654987C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- multimode
- multimode fiber
- laser
- transverse
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/0675—Resonators including a grating structure, e.g. distributed Bragg reflectors [DBR] or distributed feedback [DFB] fibre lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для селекции поперечных мод в конструкции многомодового волоконного лазера. Данная селекция позволяет получить, с одной стороны, высокое качество пучка, т.е. малое значение параметра качества пучка М2, с другой стороны излучение на выходе многомодового волоконного лазера с заданным поперечным распределением электромагнитного поля с различной геометрией: от кольцевой до более сложной формы. Высокое качество пучка требуется во многих практических применениях лазерных технологий, от высокоточной лазерной микрообработки материалов, до систем лазерной микроскопии с высоким пространственным разрешением. С другой стороны пучки с негауссовым поперечным распределением (например, кольцевой пучок), могут также применяться для решения многих задач от высокоэффективной лазерной поверхностной абляции различных материалов до записи 3-мерных структур внутри прозрачных материалов.The invention relates to the field of optical instrumentation and may find application for the selection of transverse modes in the design of a multimode fiber laser. This selection allows you to get, on the one hand, high beam quality, i.e. a small value of the beam quality parameter M 2 , on the other hand, radiation at the output of a multimode fiber laser with a given transverse distribution of the electromagnetic field with different geometries: from circular to a more complex shape. High beam quality is required in many practical applications of laser technology, from high-precision laser micro-processing of materials, to laser microscopy systems with high spatial resolution. On the other hand, beams with a non-Gaussian transverse distribution (for example, an annular beam) can also be used to solve many problems, from high-performance laser surface ablation of various materials to recording 3-dimensional structures inside transparent materials.
Термины, используемые авторами в описании заявляемого способа:The terms used by the authors in the description of the proposed method:
Основная мода - поперечная мода многомодового волоконного световода с азимутальным индексом m=0 и радиальным индексом р=1,The main mode is the transverse mode of a multimode fiber waveguide with an azimuthal index m = 0 and a radial index p = 1,
Высшие моды - поперечные моды многомодового волоконного световода со значениями азимутального индекса m и радиального индекса p отличными от соответствующих значений для основной моды,Higher modes are transverse modes of a multimode fiber waveguide with azimuthal index m and radial index p different from the corresponding values for the fundamental mode,
Селектируемая мода - поперечная мода многомодового волоконного световода, которую требуется получить на выходе многомодового волоконного лазера в результате селекции поперечной моды многомодового волоконного световода,A selectable mode is the transverse mode of a multimode fiber waveguide, which is required to be obtained at the output of a multimode fiber laser as a result of selection of the transverse mode of a multimode fiber waveguide,
ВБР - волоконная брэгговская решеткаFBG - fiber Bragg grating
Входная волоконная брэгговская решетка - волоконная брэгговская решетка, расположенная между источником накачивающего излучения и резонатором многомодового волоконного лазера.The input fiber Bragg grating is a fiber Bragg grating located between the source of pumping radiation and the cavity of a multimode fiber laser.
Выходная волоконная брэгговская решетка - волоконная брэгговская решетка, расположенная между резонатором многомодового волоконного лазера и выходным концом многомодового волоконного лазера.The output fiber Bragg grating is a fiber Bragg grating located between the cavity of a multimode fiber laser and the output end of a multimode fiber laser.
Выходной многомодовый волоконный световод - многомодовый волоконный световод, расположенный после выходной волоконной брэгговской решетки.Output multimode fiber waveguide - a multimode fiber waveguide located after the output fiber Bragg grating.
Активный многомодовый волоконный световод - многомодовый волоконный световод, сердцевина которого легирована ионами редкоземельных элементов, например, эрбием, иттербием, тулием, гольмием, висмутом, неодимом и их комбинацией.An active multimode fiber waveguide is a multimode fiber waveguide whose core is doped with rare earth ions, for example, erbium, ytterbium, thulium, holmium, bismuth, neodymium, and a combination thereof.
Полностью волоконная схема многомодового волоконного лазера - схема многомодового волоконного лазера, в которой участок от заведения накачивающего излучения до выходного многомодового волоконного световода полностью состоит из волоконных многомодовых световодов без элементов объемной оптики.An all-fiber multimode fiber laser circuit is a multimode fiber laser circuit in which the section from the pumping institution to the output multimode fiber waveguide consists entirely of multimode fiber fibers without surround optics.
Полностью волоконная схема многомодового волоконного лазера обладает компактностью, надежностью, долговременной стабильностью по сравнению со схемами, требующими юстировки объемных оптических элементов, что необходимо для практического применения данного лазерного источника и приборов на его основе.The all-fiber scheme of a multimode fiber laser has compactness, reliability, and long-term stability compared to schemes that require alignment of bulk optical elements, which is necessary for the practical application of this laser source and devices based on it.
Известно техническое решение, представленное в многомодовом волоконном лазере (Патент US №8582609, «Fiber lasers with devices capable of suppressing high-order mode mixing and generating high quality and low noise laser light», МПК H01S 3/30, опубликован 12.11.2013). В данном методе фильтрация высших поперечных мод многомодового волоконного лазера достигается с помощью изгиба многомодового волоконного световода с определенным радиусом изгиба, что приводит к возникновению значительных оптических потерь мощности для высших поперечных мод при их распространении и незначительному увеличению потерь для основной моды многомодового волоконного световода.A technical solution is known, presented in a multimode fiber laser (US Patent No. 8582609, “Fiber lasers with devices capable of suppressing high-order mode mixing and generating high quality and low noise laser light”, IPC
Недостатком известного технического решения является необходимость обеспечения определенного радиуса изгиба многомодового волоконного световода в заданном диапазоне, который обеспечивает подавление высших поперечных мод, поэтому известное техническое решение не позволяет селектировать высшие поперечные моды.A disadvantage of the known technical solution is the need to provide a certain bending radius of a multimode fiber waveguide in a given range, which provides suppression of higher transverse modes, therefore, the known technical solution does not allow selection of higher transverse modes.
Известно техническое решение для селекции мод в многомодовом волоконном лазере (Патент US №5121460 «High-power mode-selective optical fiber laser», МПК H01S 3/067, H01S 3/094, H01S 3/08, опубликован 09.06.1992). В данном методе селекция поперечной моды многомодового волоконного лазера осуществляется с помощью формирования области в многомодовом волоконном световоде с кольцевым поперечным сечением определенного радиуса, обладающей поглощением на длине волны генерации многомодового волоконного лазера и расположенной вдоль оси многомодового волоконного световода. Данное поглощение приводит к возникновению потерь для высших поперечных мод многомодового волоконного световода при их распространении, но не вносит существенных потерь для основной поперечной моды при ее распространении. Таким образом, осуществляется селекция основной поперечной моды многомодового волоконного световода. Для осуществления селекции высших поперечных мод многомодового волоконного световода данную область размещают на оси многомодового волоконного световода и выбирают радиус области равный радиусу основной моды.A technical solution is known for mode selection in a multimode fiber laser (US Patent No. 5121460 "High-power mode-selective optical fiber laser", IPC
Недостатком известного технического решения в виде селекции поперечных мод многомодового волоконного световода является использование нестандартных многомодовых волоконных световодов со сложной конфигурацией профиля показателя преломления сердцевины и оболочки многомодового волоконного световода для селекции определенной поперечной моды многомодового волоконного световода, что существенно затрудняет их изготовление и широкое применение.A disadvantage of the known technical solution in the form of the selection of transverse modes of a multimode fiber waveguide is the use of non-standard multimode fiber fibers with a complex profile profile of the refractive index of the core and cladding of the multimode fiber waveguide for the selection of a certain transverse mode of a multimode fiber waveguide, which significantly complicates their manufacture and widespread use.
Известно техническое решение, представленное в статье (J.М.О. Daniel, J.S.P. Chan, J.W. Kim, J.K. Sahu, M. Ibsen, and W.A. Clarkson, "Novel technique for mode selection in a multimode fiber laser," Opt. Express, vol. 19, no. 13, pp.12434-12439, 2011.). В данном методе селекция поперечных мод многомодового волоконного лазера осуществлялась за счет одновременного использования волоконной брэгговской решетки, записанной в многомодовом активном волокне, и объемной брэгговской решетки, расположенной в открытой части резонатора многомодового волоконного лазера под определенным углом падения излучения. Данный угол выбирается из условия равенства резонансных длин волн отражения волоконной брэгговской решетки (для основной поперечной моды многомодового волоконного лазера) и объемной брэгговской решетки, тем самым обеспечивается селекция основной моды излучения многомодового волоконного лазера.A technical solution is known, presented in the article (J.M.O. Daniel, JSP Chan, JW Kim, JK Sahu, M. Ibsen, and WA Clarkson, "Novel technique for mode selection in a multimode fiber laser," Opt. Express, vol. 19, no. 13, pp. 12434-12439, 2011.). In this method, the transverse modes of a multimode fiber laser were selected due to the simultaneous use of a fiber Bragg grating recorded in a multimode active fiber and a bulk Bragg grating located in the open part of the cavity of a multimode fiber laser at a certain angle of incidence of radiation. This angle is selected from the condition that the reflection resonance wavelengths of the fiber Bragg grating (for the main transverse mode of the multimode fiber laser) are equal to the bulk Bragg grating, thereby ensuring the selection of the main radiation mode of the multimode fiber laser.
Недостатком известного технического решения является использование внешней объемной брэгговской решетки, которая должна быть расположена под определенным углом относительно направления падающего излучения для согласования длины волны отражения с резонансной длиной волны волоконной брэгговской решеткой, что, во-первых, существенно усложняет схему многомодового волоконного лазера и требует постоянной юстировки объемной брэгговской решетки для сохранения определенного угла, во-вторых, данное техническое решение не применимо в случае многомодового волоконного лазера в полностью волоконном исполнении.A disadvantage of the known technical solution is the use of an external volumetric Bragg grating, which must be located at a certain angle relative to the direction of the incident radiation to match the reflection wavelength with the resonant wavelength of the fiber Bragg grating, which, firstly, significantly complicates the design of a multimode fiber laser and requires a constant alignment of the volumetric Bragg grating to maintain a certain angle, and secondly, this technical solution is not applicable in the case of e multimode fiber laser all-fiber design.
Известно техническое решение, представленное в статье (Т. Liu, S.-P. Chen, and J. Hou, "Selective transverse mode operation of an all-fiber laser with a mode-selective fiber Bragg grating pair," Opt. Lett., vol. 41, no. 24, pp.5692-5695, 2016.), выбранное в качестве прототипа. В данном методе селекция поперечных мод многомодового волоконного лазера осуществлялась с помощью двух согласованных волоконных брэгговских решеток, записанных в многомодовых волоконных световодах, имеющих различные значения числовой апертуры. Разница числовых апертур приводит к разным значениям длин волн между соседними пиками отражения ВБР, соответствующих различным поперечным модам. Подбирая параметры ВБР таким образом, что положения пиков обеих ВБР, соответствующих определенной моде, совпадали, добиваются селекции данной моды в полностью волоконном исполнении.A technical solution is known in the article (T. Liu, S.-P. Chen, and J. Hou, "Selective transverse mode operation of an all-fiber laser with a mode-selective fiber Bragg grating pair," Opt. Lett. , vol. 41, no. 24, pp.5692-5695, 2016.), selected as a prototype. In this method, the selection of the transverse modes of a multimode fiber laser was carried out using two matched fiber Bragg gratings recorded in multimode fiber fibers with different values of the numerical aperture. The difference in the numerical apertures leads to different wavelengths between neighboring reflection FBG peaks corresponding to different transverse modes. Selecting the FBG parameters in such a way that the positions of the peaks of both FBGs corresponding to a certain mode coincide, they achieve the selection of this mode in a fully fiber version.
Недостатком данного технического решения является необходимость использования двух разных многомодовых волоконных световодов с отличающимися оптическими характеристиками для обеспечения заметной разницы в межпиковом расстоянии для поперечных мод разных ВБР, что приводит к появлению оптических потерь в месте сварки многомодовых волоконных световодов с разными характеристиками. Таким образом, данный метод не применим для селекции мод в многомодовом полностью волоконном лазере, собранном на основе одного и того же многомодового волоконного световода.The disadvantage of this technical solution is the need to use two different multimode fiber waveguides with different optical characteristics to provide a noticeable difference in the peak-to-peak distance for the transverse modes of different FBGs, which leads to the appearance of optical losses at the point of welding of multimode fiber optical fibers with different characteristics. Thus, this method is not applicable for mode selection in a multimode all-fiber laser assembled on the basis of the same multimode fiber waveguide.
Перед авторами ставилась задача разработать способ селекции поперечных мод в многомодовом волоконном лазере, в том числе высших мод, сконструированного на основе одного многомодового волоконного световода в полностью волоконной схеме.The authors were tasked with developing a method for the selection of transverse modes in a multimode fiber laser, including higher modes, constructed on the basis of a single multimode fiber waveguide in a fully fiber circuit.
Поставленная задача решается тем, что в способе селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера, включающем использование активной среды многомодового волоконного лазера; входной волоконной брэгговской решетки, выполненной с коэффициентом отражения мощности излучения более 80%, выходной волоконной брэгговской решетки, выполненной с коэффициентом отражения мощности излучения менее 55%, и при этом выполненных с равными резонансными длинами волн отражения излучения, соответствующими селектируемой поперечной моде многомодового волоконного световода; формирование резонатора многомодового волоконного лазера в многомодовом волоконном световоде; заведение накачивающего излучения от источника излучения в многомодовый волоконный световод; генерацию лазерного излучения многомодовым волоконным лазером; формирование торца выходного многомодового волоконного световода с углом более 8 градусов между осью многомодового волоконного световода и нормалью к торцевой поверхности выходного многомодового волоконного световода, расположенного после выходной волоконной брэгговской решетки, выходную волоконную брэгговскую решетку дополнительно формируют обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления сердцевины многомодового волоконного световода, при этом поперечно-неоднородный профиль определяется расположением одиночных областей модификаций показателя преломления внутри сердцевины многомодового волоконного световода, и обеспечивает максимальное значение коэффициента связи kmp в выходной волоконной брэгговской решетке для селектируемой моды многомодового волоконного световода, и также минимальное значение коэффициента связи km'p'- для других поперечных мод многомодового волоконного световода, который определяют согласно формуле:The problem is solved in that in a method for selecting the transverse modes of a multimode fiber laser, including the use of the active medium of a multimode fiber laser; input fiber Bragg grating made with a radiation power reflection coefficient of more than 80%, output fiber Bragg grating made with a radiation power reflection coefficient of less than 55%, and at the same time made with equal resonant wavelengths of radiation reflection corresponding to the selectable transverse mode of a multimode fiber waveguide; forming a multimode fiber laser cavity in a multimode fiber waveguide; introducing pumped radiation from a radiation source into a multimode fiber optical fiber; generation of laser radiation by a multimode fiber laser; formation of the end face of the output multimode fiber waveguide with an angle of more than 8 degrees between the axis of the multimode fiber waveguide and the normal to the end surface of the output multimode fiber waveguide located after the output fiber Bragg grating, the output fiber Bragg grating further form a transversely inhomogeneous refractive index profile of the fiber while the transversely inhomogeneous profile is determined by the location of one of the intrinsic regions of the refractive index modifications inside the core of the multimode fiber, it provides the maximum coupling coefficient k mp in the output Bragg grating for the selectable mode of the multimode fiber, and also the minimum coupling coefficient k m'p ' for other transverse modes of the multimode fiber which is determined according to the formula:
где Δn(r, φ) - величина изменения показателя преломления в точке с координатами (r, φ), Еmp(r, φ) - распределение поля поперечной моды многомодового волоконного световода с радиальным индексом p и азимутальным индексом m:where Δn (r, φ) is the magnitude of the change in the refractive index at the point with coordinates (r, φ), Е mp (r, φ) is the distribution of the transverse mode field of a multimode fiber waveguide with a radial index p and azimuthal index m:
где 
Техническим эффектом заявляемого способа селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера является расширение области применения многомодового волоконного лазера, уменьшение оптических потерь лазерного излучения, возможность селекции высших поперечных мод, повышение стабильности работы многомодового волоконного лазера, упрощение конструкции многомодового волоконного лазера.The technical effect of the proposed method for the selection of transverse modes of a multimode fiber laser is to expand the scope of a multimode fiber laser, reduce optical loss of laser radiation, the ability to select higher transverse modes, increase the stability of a multimode fiber laser, simplify the design of a multimode fiber laser.
Кроме того, применение заявляемого способа позволяет уменьшить расходимость пучка лазерного излучения в случае селекции основной поперечной моды вследствие малого значения М2, приводящее к увеличению расстояния передачи лазерного излучения, а также к уменьшению размера области фокусировки лазерного излучения, что увеличивает точность при микрообработке материалов. В случае селекции высших поперечных мод многомодового волоконного лазера, например, кольцевой, заявляемый способ позволяет увеличить производительность лазерной абляции материала по сравнению с пучком, имеющим гауссовское распределение интенсивности.In addition, the application of the proposed method allows to reduce the divergence of the laser beam in the case of selection of the main transverse mode due to the small value of M 2 , which leads to an increase in the transmission distance of the laser radiation, as well as to a decrease in the size of the focus area of the laser radiation, which increases accuracy during microprocessing of materials. In the case of selection of higher transverse modes of a multimode fiber laser, for example, a ring, the inventive method allows to increase the productivity of laser ablation of the material compared with a beam having a Gaussian intensity distribution.
На фиг. 1 представлена схема, поясняющая работу заявляемого способа селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера, где 1 - источник излучения, 2 - входная волоконная брэгговская решетка, 3 - выходная волоконная брэгговская решетка, 4 - активная среда многомодового волоконного лазера, 5 - резонатор многомодового волоконного лазера, 6 - место сварки многомодовых волоконных световодов, 7 - торец выходного многомодового волоконного световода.In FIG. 1 is a diagram explaining the operation of the proposed method for the selection of transverse modes of a multimode fiber laser, where 1 is the radiation source, 2 is the input fiber Bragg grating, 3 is the output fiber Bragg grating, 4 is the active medium of the multimode fiber laser, 5 is the cavity of the multimode fiber laser, 6 - place of welding of multimode fiber optical fibers, 7 - end face of the output multimode optical fiber.
На фиг. 2 представлен поперечный профиль сердцевины многомодового волоконного световода с записанной выходной волоконной брэгговской решеткой, имеющей поперечно-неоднородный профиль показателя преломления, где 8 - поперечно-неоднородный профиль показателя преломления волоконной брэгговской решетки, 9 - область одиночной модификации показателя преломления, 10 - сердцевина многомодового волоконного световода.In FIG. Figure 2 shows the transverse profile of the core of a multimode fiber waveguide with a recorded output Bragg grating having a transversely inhomogeneous refractive index profile, where 8 is the transversely inhomogeneous refractive index profile of the fiber Bragg grating, 9 is the region of a single modification of the refractive index, 10 is the core of the multimode fiber optical fiber .
На фиг 3 представлен спектр отражения входной волоконной брэгговской решетки (пунктирная линия) с поперечно-однородным профилем показателя преломления и выходная волоконная брэгговская решетка (сплошная линия) с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления, где 11 - пик в спектре отражения волоконной брэгговской решетки, соответствующий основной поперечной моде многомодового волоконного световода, 12 - пик в спектре отражения волоконной брэгговской решетки, соответствующий второй группе поперечных мод многомодового волоконного световода, 13 - пик в спектре отражения волоконной брэгговской решетки, соответствующий третьей группе поперечных мод многомодового волоконного световода.Fig. 3 shows a reflection spectrum of an input fiber Bragg grating (dashed line) with a transversely uniform refractive index profile and an output fiber Bragg grating (solid line) with a transversely inhomogeneous refractive index profile, where 11 is the peak in the reflection spectrum of a fiber Bragg grating, the main transverse mode of a multimode fiber waveguide, 12 is the peak in the reflection spectrum of the fiber Bragg grating, corresponding to the second group of transverse modes of the multimode fiber th fiber, 13 — peak in the reflection spectrum of the fiber Bragg grating, corresponding to the third group of transverse modes of a multimode fiber waveguide.
На фиг. 4 представлен спектры генерации многомодового волоконного лазера с волоконным отражателем лазерного излучения, выполненным разными способами, где 14 - спектр генерации многомодового волоконного лазера в случае использования в качестве выходной волоконной брэгговской решетки прямого скола торца выходного многомодового волоконного световода, 15 - спектр генерации многомодового волоконного лазера в случае использования в качестве выходной волоконной брэгговской решетки ВБР с поперечно-однородным профилем показателя преломления, 16 - спектр генерации многомодового волоконного лазера в случае использования в качестве выходной волоконной брэгговской решетки, ВБР с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления.In FIG. Figure 4 shows the generation spectra of a multimode fiber laser with a fiber laser reflector made in different ways, where 14 is the generation spectrum of a multimode fiber laser in the case where a straight cleaved end of the output multimode fiber is used as the output fiber Bragg grating; 15 is the generation spectrum of a multimode fiber laser in when using an FBG with a transversely uniform refractive index profile as the output fiber Bragg grating, 16 the generation coefficient of a multimode fiber laser in the case of using an FBG with a transversely inhomogeneous refractive index profile as the output fiber Bragg grating.
На фиг. 5 представлена зависимость радиуса пучка многомодового волоконного лазера после селекции основной поперечной моды.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the beam radius of a multimode fiber laser after selection of the main transverse mode.
Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера использует схему многомодового волоконного лазера, в которой участок от места заведения накачивающего излучения от источника излучения 1 в сердцевину, либо в оболочку многомодового пассивного волоконного световода, а так же либо в сердцевину, либо в оболочку многомодового активного волоконного световода до выходного многомодового волоконного световода. Этот участок полностью состоит из волоконных многомодовых световодов без элементов объемной оптики и включает в себя использование источника накачивающего излучения 1, входной волоконной брэгговской решетки 2, которая выполнена с коэффициентом отражения мощности излучения более 80% либо ультрафиолетовым лазерным излучением с поперечно-однородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода либо фемтосекундным лазерным излучением с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода, выходной волоконной брэгговской решетки 3, которая выполнена с коэффициентом отражения мощности излучения менее 55%, активной среды многомодового волоконного лазера 4, состоящая, например, из пассивного многомодового волоконного световода с одинарной оболочкой, либо из пассивного многомодового волоконного световода с двойной оболочкой для генерации лазерного излучения за счет нелинейного эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), которое также называют рамановским рассеянием, при этом частота ВКР-генерации уменьшается по сравнению с частотой накачивающего излучения на постоянную величину ВКР сдвига частоты, зависящую от материала сердцевины многомодового волоконного световода активной среды многомодового волоконного лазера, либо из активного многомодового волоконного световода с одинарной оболочкой, либо из активного многомодового волоконного световода с двойной оболочкой для генерации лазерного излучения за счет вынужденного перехода атомов редкоземельных элементов из возбужденного состояния в основное, при этом длина волны генерации многомодового волоконного лазера определяется спектральной областью люминесценции атомов редкоземельных элементов, активная среда в совокупности с входной и выходной волоконными брэгговскими решетками образуют резонатор многомодового волоконного лазера 5, многомодовые волоконные световоды соединяются в местах сварок 6 многомодовых волоконных световодов, торец выходного многомодового волоконного световода 7 имеет угол более 8 градусов между осью многомодового волоконного световода и нормалью к торцевой поверхности выходного многомодового волоконного световода. Генерация излучения в многомодовом волоконном лазере осуществляется на собственных модах резонатора. В частности, его поперечные моды формируются в многомодовых волоконных световодах, образующих резонатор, и соответствуют поперечным модам этих многомодовых волоконных световодов.The method for selecting the transverse modes of a multimode fiber laser uses a multimode fiber laser scheme, in which the section from the place of injection of radiation from the
В заявляемом способе выходную волоконную брэгговскую решетку 3 выполняют фемтосекундным лазерным излучением в сердцевине многомодового волоконного световода посредством объектива с высокой числовой апертурой в сердцевине многомодового волоконного световода и формируют обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления сердцевины многомодового волоконного световода. Выходная ВБР 3 имеет поперечно-неоднородный профиль показателя преломления 8, который определяется взаимным расположением областей одиночных модификаций показателя преломления 9 внутри сердцевины многомодового волоконного световода 10. Каждая область одиночной модификации 9 показателя преломления сердцевины многомодового волоконного световода создается с помощью одного импульса фемтосекундного лазера, сфокусированного с помощью объектива с высокой числовой апертурой. Поперечный размер области одиночной модификации показателя преломления 9 можно оценить по следующей формуле: 2w0=4λf/πD, где λ - длина волны фемтосекундного лазерного излучения, f - фокусное расстояние линзы, D - диаметр пучка до фокусирующей линзы, 2z0=2πnw0/λ - поперечный размер, где n - показатель преломления материала. Как видно из данных формул при достаточно сильной фокусировке (f<2 мм) можно получить область одиночной модификации показателя преломления 9 менее 1 мкм в поперечном направлении и менее 10 мкм в продольном направлении. С помощью фокусировки в различные области сердцевины многомодового волоконного световода, имеющей диаметр 2R (например, в распространенных многомодовых волоконных световодах диаметр сердцевины равен 50 и 62.5 мкм), можно создать ВБР с заданным поперечным профилем 8:In the inventive method, the output fiber Bragg
- для селекции основной моды многомодового волоконного световода (ФИГ. 2а),- for selection of the main mode of a multimode fiber waveguide (FIG. 2A),
- для селекции высших моды с радиально-симметричным распределением электромагнитного поля (ФИГ. 2б),- for the selection of higher modes with a radially symmetric distribution of the electromagnetic field (FIG. 2B),
- для селекции высших мод с радиально не симметричным распределением электромагнитного поля (ФИГ. 2в).- for the selection of higher modes with a radially non-symmetric distribution of the electromagnetic field (FIG. 2C).
Данная селекция мод с помощью ВБР с представленными поперечными профилями показателя преломления основывается на зависимости коэффициента связи kmp ВБР и, следовательно, коэффициента отражения ВБР, от интеграла перекрытия между областью модификации показателя преломления и поперечным распределением поля моды многомодового волоконного световода. При этом поперечно-неоднородный профиль 8 волоконной брэгговской решетки определяется расположением областей одиночных модификаций показателя преломления 9 внутри сердцевины многомодового волоконного световода, и обеспечивает максимальное значение коэффициента связи kmp в выходной волоконной брэгговской решетке 3 для селектируемой моды многомодового волоконного световода и минимальное значение коэффициента связи km'p' для других поперечных мод многомодового волоконного световода, который согласно теории волоконных брэгговских решеток определяется согласно формуле:This mode selection using FBGs with the transverse refractive index profiles presented is based on the dependence of the coupling coefficient k mp of the FBG and, therefore, the FBG reflection coefficient, on the overlap integral between the region of modification of the refractive index and the transverse distribution of the mode field of the multimode fiber waveguide. In this case, the transverse-inhomogeneous profile of the fiber Bragg grating 8 is determined by the location of the regions of single modifications of the
где Δn(r, φ) - величина изменения показателя преломления в точке с координатами (r, φ), Еmp(r, φ) - распределение поля поперечной моды многомодового волоконного световода с радиальным индексом p и азимутальным индексом m:where Δn (r, φ) is the magnitude of the change in the refractive index at the point with coordinates (r, φ), Е mp (r, φ) is the distribution of the transverse mode field of a multimode fiber waveguide with a radial index p and azimuthal index m:
где
Различные поперечные моды многомодового волоконного световода с одинаковыми значениями константы распространения образуют группы мод с номером группы g=2р+|m|-1. В спектре отражения ВБР с однородным поперечным профилем показателя преломления каждой группе мод будет соответствовать свой пик отражения на соответствующей длине волны, причем резонансная длина волны отражения будет максимальна для первой группы мод и будет уменьшаться при возрастании номера группы мод. В случае ВБР с поперечно-неоднородным профилем показателя преломления данная конфигурация пиков отражения может быть изменена таким образом, что некоторые пики отражения будут подавлены за счет описанной выше селекции поперечных мод. Соответственно, при расположении такой ВБР в резонаторе многомодового волоконного лазера будет происходить селекция поперечных мод многомодового волоконного лазера, имеющих высокий коэффициент отражения и фильтрация других мод, которые слабо отражаются от данной ВБР.Different transverse modes of a multimode fiber waveguide with the same propagation constant values form mode groups with the group number g = 2p + | m | -1. In the reflection spectrum of a FBG with a uniform transverse profile of the refractive index, each mode group will have its own reflection peak at the corresponding wavelength, and the resonance reflection wavelength will be maximum for the first mode group and will decrease with increasing mode group number. In the case of FBG with a transversely inhomogeneous profile of the refractive index, this configuration of reflection peaks can be changed so that some reflection peaks are suppressed due to the selection of transverse modes described above. Accordingly, when such a FBG is located in the cavity of a multimode fiber laser, the transverse modes of the multimode fiber laser will be selected, having a high reflection coefficient and filtering of other modes that are weakly reflected from this FBG.
Входную волоконную брэгговскую решетку 2 и выходную волоконную брэгговскую решетку 3 выполняют с равными резонансными длинами волн отражения излучения, соответствующими селектируемой поперечной моде многомодового волоконного световода для формирования резонатора 5 многомодового волоконного лазера. Резонатор 5 многомодового волоконного лазера выполняют осуществляющим дополнительную селекцию поперечных мод посредством поперечно-неоднородного профиля показателя преломления волоконной брэгговской решетки, выполненной в сердцевине многомодового волоконного световода. При этом торец выходного многомодового волоконного световода после выходной ВБР скалывался под углом более 8 градусов для уменьшения обратной связи, возникающей за счет френелевского отражения.The input fiber Bragg grating 2 and the output fiber Bragg grating 3 are performed with equal resonance radiation reflection wavelengths corresponding to the selectable transverse mode of the multimode fiber waveguide to form the
Использование полностью волоконной схемы многомодового волоконного лазера, сконструированного на основе одного и того же многомодового волоконного световода, позволяет уменьшить оптические потери лазерного излучения, возникающие в местах сварок многомодовых волоконных световодов, повысить стабильность работы многомодового волоконного лазера из-за отсутствия необходимости периодической подстройки объемных оптических элементов, упростить конструкцию многомодового волоконного лазера.The use of a full-fiber circuit of a multimode fiber laser constructed on the basis of the same multimode fiber waveguide makes it possible to reduce the optical loss of laser radiation that occurs at the points of welding of multimode fiber fibers, to increase the stability of the multimode fiber laser due to the absence of the need for periodic tuning of bulk optical elements , simplify the design of multimode fiber laser.
Для демонстрации работоспособности предложенного способа селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера была изготовлена волоконная брэгговская решетка методом поточечной записи фемтосекундным лазерным излучением с расположением области модификации в центре сердцевины многомодового волоконного световода Corning 62.5/125 с общей длиной ВБР 1.3 мм, с периодом Λ=0.645 мкм, с коэффициентом отражения ~4% и полной шириной спектра на полувысоте Δλ=0.21 нм на длине волны 954 нм. Спектр отражения данной ВБР представлен на Фиг. 3 (сплошная линия). Как было сказано выше, при расположении области одиночной модификации показателя преломления в центре сердцевины многомодового волоконного световода будут эффективно отражаться поперечные моды, имеющие максимум значения поля в центре сердцевины многомодового волоконного световода: основная 11 поперечная мода LP01 (g=1), LP02 из третьей модовой группы (g=3) 12, тогда как высшая 13 поперечная мода LP11 (g=2) будет иметь незначительное отражение и, следовательно, будет подавлена, что и наблюдается на Фиг. 3. Для сравнения на Фиг. 3 представлен спектр ВБР (пунктирная линия), записанной в интерференционной схеме ультрафиолетовым (УФ) излучением в сердцевине того же многомодового волоконного световода и имеющей, соответственно, однородный поперечный профиль показателя преломления. В данном случае наблюдаются пики отражения, соответствующие как основной поперечной моде (g=1), так и высшим группам мод (g>1), поскольку интегралы перекрытия всех мод отличны от нуля, и поэтому селекции мод в данном случае не наблюдается.To demonstrate the operability of the proposed method for the selection of transverse modes of a multimode fiber laser, a fiber Bragg grating was produced by the method of spot recording by femtosecond laser radiation with the location of the modification region in the center of the core of the Corning 62.5 / 125 multimode fiber waveguide with a total FBG length of 1.3 mm, with a period Λ = 0.645 μm, with a reflection coefficient of ~ 4% and a full spectrum width at half maximum Δλ = 0.21 nm at a wavelength of 954 nm. The reflection spectrum of this FBG is shown in FIG. 3 (solid line). As mentioned above, when the region of a single modification of the refractive index is located in the center of the core of the multimode fiber, the transverse modes that have a maximum field value in the center of the core of the multimode fiber will be reflected effectively: the main 11 transverse mode LP 01 (g = 1), LP 02 from of the third mode group (g = 3) 12, while the higher 13 transverse mode LP 11 (g = 2) will have little reflection and, therefore, will be suppressed, as is observed in FIG. 3. For comparison, in FIG. Figure 3 shows the FBG spectrum (dashed line) recorded in the interference pattern by ultraviolet (UV) radiation in the core of the same multimode fiber waveguide and having, accordingly, a uniform transverse refractive index profile. In this case, reflection peaks corresponding to both the main transverse mode (g = 1) and the higher mode groups (g> 1) are observed, since the overlap integrals of all modes are nonzero, and therefore, mode selection is not observed in this case.
Далее, записанная выходная ВБР с поперечно-неоднородным профилем была помещена в резонатор многомодового волоконного ВКР-лазера, схема которого представлена на фиг. 1. Накачивающее излучение мощного многомодового лазерного диода с длиной волны 915 нм и выходной мощностью 85 Вт заводилось в сердцевину многомодового волоконного световода Corning 62.5/125 (числовая апертура NA=0,275) с помощью коллимирующих линз L1,2 с эффективностью >70%. Резонатор был образован высокоотражающей (R1~80%) входной ВБР, имеющей однородный поперечный профиль, и выходной ВБР, записанной в центральной области сердцевины многомодового волоконного световода излучением фемтосекундного (фс) лазера методом поточечной записи. При этом торец выходного многомодового волоконного световода после выходной ВБР скалывался под углом более 8° для уменьшения обратной связи, возникающей за счет френелевского отражения. Для сравнения режимов генерации многомодового волоконного ВКР-лазера вместо выходной ВБР также использовался прямой скол торца многомодового волоконного световода, обеспечивающий френелевское отражение (4%), а также выходной ВБР, записанной в интерференционной схеме УФ излучением в сердцевине многомодового волоконного световода и имеющей однородный поперечный профиль.Next, the recorded output FBG with a transversely inhomogeneous profile was placed in the cavity of a multimode Raman laser, the circuit of which is shown in FIG. 1. The pumping radiation of a powerful multimode laser diode with a wavelength of 915 nm and an output power of 85 W was injected into the core of a Corning 62.5 / 125 multimode fiber waveguide (numerical aperture NA = 0.275) using L1.2 collimating lenses with an efficiency of> 70%. The resonator was formed by a highly reflective (R1 ~ 80%) input FBG having a uniform transverse profile, and the output FBG recorded in the central region of the core of a multimode fiber waveguide by means of a femtosecond (fs) laser using the point-to-point recording method. In this case, the end face of the output multimode fiber waveguide after the output FBG was chipped at an angle of more than 8 ° to reduce the feedback arising due to Fresnel reflection. To compare the generation regimes of a multimode fiber Raman laser, instead of the output FBG, we also used a direct cleavage of the end of the multimode fiber optical fiber, providing Fresnel reflection (4%), as well as the output FBG recorded in the interference scheme by UV radiation in the core of the multimode fiber optical fiber and having a uniform transverse profile .
В случае использования неселективного по модам френелевского отражения от выходного торца многомодового волоконного световода наблюдается генерация относительно однородного спектра 14 шириной ~1 нм (пунктирная линия на Фиг. 4). Для выходной ВБР с однородным поперечным профилем наблюдается трехпиковая структура 15 с расстоянием между пиками ~0,6 нм, соответствующая отражению трех первых модовых групп многомодового волоконного световода с малыми поперечными индексами (штрихпунктирная линия на Фиг. 4). Компонента на длине волны 954 нм соответствует основной моде, а номер модовой группы увеличивается в коротковолновую сторону. Ширина спектра отражения для каждой группы мод мала, поэтому спектр генерации различных групп хорошо различается.In the case of using a mode-selective Fresnel reflection from the output end of the multimode fiber waveguide, generation of a relatively
В случае выходной ВБР с поперечно-неоднородным профилем наблюдается спектр генерации 16, состоящий из одного пика, соответствующего основной поперечной моде многомодового волоконного световода (сплошная линия на Фиг. 4). Измерения показали, что параметр качества выходного пучка М2<1.3 при выходной мощности от 5 до 10 Вт, т.е. генерация близка к одномодовой (фиг. 5).In the case of an output FBG with a transversely inhomogeneous profile, a
Таким образом, заявленный способ позволяет выполнять селекцию поперечных мод многомодового волоконного лазера, сконструированного на основе одного и того же многомодового волоконного световода в полностью волоконной схеме с выходной ВБР, записанной фемтосекундным лазерным излучением и обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления. Данная селекция важна при создании волоконных лазеров с высоким качеством пучка (М2<1.3) на основе многомодовых волоконных световодов, а также для генерации излучения со специальным поперечным распределением интенсивности в пучке, например, с кольцевым поперечным сечением.Thus, the claimed method allows the selection of the transverse modes of a multimode fiber laser constructed on the basis of the same multimode fiber waveguide in a fully fiber circuit with an output FBG recorded by femtosecond laser radiation and having a transversely inhomogeneous refractive index profile. This selection is important when creating fiber lasers with a high beam quality (M 2 <1.3) based on multimode fiber optical fibers, as well as for generating radiation with a special transverse intensity distribution in the beam, for example, with an annular cross section.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017112266A RU2654987C1 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | Method of selection of transverse modes of multimode fiber laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017112266A RU2654987C1 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | Method of selection of transverse modes of multimode fiber laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2654987C1 true RU2654987C1 (en) | 2018-05-23 |
Family
ID=62202678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017112266A RU2654987C1 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | Method of selection of transverse modes of multimode fiber laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2654987C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5488506A (en) * | 1994-06-09 | 1996-01-30 | Ceramoptec Industries, Inc. | Enhanced power fiber laser with controllable output beam |
| RU2153214C1 (en) * | 1994-07-29 | 2000-07-20 | СДЛ, Инк. | Fiber-optic structure for effective application of pumping radiation, optical pumping-radiation intensifying system, and fiber-optic structure for intensifying pumping radiation |
| US20060093012A1 (en) * | 2004-10-29 | 2006-05-04 | Rajminder Singh | Multimode long period fiber Bragg grating machined by ultrafast laser direct writing |
| WO2014064636A2 (en) * | 2012-10-24 | 2014-05-01 | Csir | Modal decomposition of a laser beam |
-
2017
- 2017-04-10 RU RU2017112266A patent/RU2654987C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5488506A (en) * | 1994-06-09 | 1996-01-30 | Ceramoptec Industries, Inc. | Enhanced power fiber laser with controllable output beam |
| RU2153214C1 (en) * | 1994-07-29 | 2000-07-20 | СДЛ, Инк. | Fiber-optic structure for effective application of pumping radiation, optical pumping-radiation intensifying system, and fiber-optic structure for intensifying pumping radiation |
| US20060093012A1 (en) * | 2004-10-29 | 2006-05-04 | Rajminder Singh | Multimode long period fiber Bragg grating machined by ultrafast laser direct writing |
| WO2014064636A2 (en) * | 2012-10-24 | 2014-05-01 | Csir | Modal decomposition of a laser beam |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109792129B (en) | Monolithic Visible Wavelength Fiber Laser | |
| JP4443627B2 (en) | Optical fiber laser | |
| Babin et al. | Multimode fiber Raman lasers directly pumped by laser diodes | |
| CN101826697B (en) | Method for manufacturing distributed Bragg reflection optical fiber laser | |
| US20090262416A1 (en) | Cascade laser | |
| US8218585B2 (en) | Laser oscillator and filtering method | |
| CN113228431A (en) | Fiber apparatus and method for reducing Stimulated Raman Scattering (SRS) light emission from a resonant cavity | |
| US20050053101A1 (en) | Mode selection for single frequency fiber laser | |
| WO2011160234A2 (en) | Active optical device component with large area bragg grating | |
| KR101456166B1 (en) | Fiber optic power laser device | |
| JP6744074B2 (en) | Optical fiber for optical fiber grating and fiber laser device | |
| RU2654987C1 (en) | Method of selection of transverse modes of multimode fiber laser | |
| US20110292952A1 (en) | Laser device with high average power fiber | |
| Jeong et al. | Continuous wave single transverse mode laser oscillation in a Nd-doped large core double clad fiber cavity with concatenated adiabatic tapers | |
| US10693273B2 (en) | Reflector, fiber cavity, and fiber laser | |
| CN214478413U (en) | 2-micron-band cylindrical vector optical fiber random laser based on optical fiber random grating | |
| JP5202820B2 (en) | Optical coupler, fiber laser and optical fiber amplifier | |
| Kuznetsov et al. | Raman lasing in multimode diode-pumped graded-index fiber with fs-inscribed 3D random FBG array | |
| CN117117615B (en) | Optical fiber ultrafast laser | |
| JP2010177314A (en) | Double clad fiber, fiber laser device, and optical amplifier | |
| CN220874007U (en) | All-fiber 2-micron ultra-short cavity single-frequency and high-linear polarization pulse laser oscillator | |
| CN110663146B (en) | Large power cladding pumping single mode fiber Raman laser | |
| JP6360862B2 (en) | Fiber chirped grating element and fiber laser | |
| Dostovalov et al. | Femtosecond inscription of fiber Bragg and long-period gratings with special characteristics for applications in fiber lasers | |
| Babin et al. | Fiber lasers with regular and random distributed feedback |