RU2773109C1

RU2773109C1 - Multifunctional fiber laser source of noise-like pulses

Info

Publication number: RU2773109C1
Application number: RU2021116089A
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Волков; Сергей Николаевич Ушаков; Константин Николаевич Нищев; Михаил Юрьевич Власов
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-05-30

Abstract

FIELD: optical technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of optics and can be used in the design of fiber laser sources, fiber amplifiers, supercontinuum and second harmonic generators. The multifunctional fiber laser source of noise-like pulses includes a master fiber erbium laser source of noise-like pulses, a counter-pumped fiber amplifier and a piece of nonlinear optical fiber on a quartz basis. A 190 m long fiber ring resonator and multimode pumping are used. It is possible to adjust the optical characteristics of the master fiber erbium laser source without measuring the resonator, as well as adjusting the output spectrum of the supercontinuum.

EFFECT: invention makes it possible to increase the pumping life, increase the output power of a fiber laser, does not require additional elements to amplify pulses, increase the output power after the amplifier, obtain a stable self-start, and also obtain a flat and wide spectrum of the supercontinuum without the use of special fibers.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано при конструировании задающих волоконных лазерных импульсных источников, волоконных усилителей, а также генераторов суперконтинуума и второй гармоники.The invention relates to the field of optics and can be used in the design of master fiber laser pulsed sources, fiber amplifiers, as well as supercontinuum and second harmonic generators.

В настоящее время волоконные лазеры имеют большое количество преимуществ перед объемными твердотельными лазерами и лазерными диодами. В частности, волоконно-оптический лазер создает интенсивные гауссовоподобные пучки без необходимости использования специальных электрических установок или систем охлаждения; это связано с тем, что длина и уменьшенный поперечный размер оптического волокна способствуют тепловому рассеянию. Выдающимся направлением исследований в области волоконных лазеров являются волоконные лазеры с синхронизацией мод, которые могут генерировать интенсивные короткие и ультракороткие импульсы. Их применение включает газовую спектроскопию, датчики давления, ориентированные на мониторинг гражданского строительства, военных и промышленных сооружений, которые постоянно подверженные стрессу, датчики акустического давления, генерация биомедицинских изображений методом оптической когерентной томографии и генерация суперконтинуума. Кроме того, волоконный лазер с синхронизацией мод может генерировать интенсивные и высокоэнергетические импульсы, которые можно использовать для микрообработки материалов. Currently, fiber lasers have a large number of advantages over bulk solid-state lasers and laser diodes. In particular, the fiber optic laser produces intense Gaussian-like beams without the need for special electrical installations or cooling systems; this is because the length and reduced lateral dimension of the optical fiber contribute to thermal dissipation. An outstanding area of research in the field of fiber lasers is mode-locked fiber lasers, which can generate intense short and ultrashort pulses. Their applications include gas spectroscopy, pressure sensors focused on monitoring civil engineering, military and industrial structures that are constantly under stress, acoustic pressure sensors, biomedical imaging by optical coherence tomography, and supercontinuum generation. In addition, a mode-locked fiber laser can generate intense and high-energy pulses that can be used for micromachining materials.

Вследствие этого, актуальной и важной задачей для практических применений являются задачи конструирования волоконных резонаторов и поиска новых импульсных режимов генерации. As a result, the design of fiber resonators and the search for new pulsed generation modes are an urgent and important task for practical applications.

Наиболее близким техническим решением является универсальный волоконный лазер EFOA-SH-UB, изготовленный компанией ООО «АВЕСТА-ПРОЕКТ» Устройство объединяет в себе несколько приборов: фемтосекундный волоконный лазер с синхронизацией мод на основе волокна, легированного эрбием EFOA (длина волны излучения 1560 нм), генератор суперконтинуума (1100-2000 нм) и генератор второй гармоники (780 нм). При этом работа возможна как одновременно со всеми длинами волн, так и по отдельности. Благодаря своей компактности, надежности, легкости управления и возможности одновременного использования различных длин волн система является поистине универсальной для исследовательских лабораторий The closest technical solution is the universal fiber laser EFOA-SH-UB, manufactured by AVESTA-PROJECT LLC. The device combines several devices: a femtosecond mode-locked fiber laser based on EFOA erbium-doped fiber supercontinuum generator (1100-2000 nm) and second harmonic generator (780 nm). In this case, work is possible both simultaneously with all wavelengths, and separately. Due to its compactness, reliability, ease of operation and the possibility of simultaneous use of different wavelengths, the system is truly universal for research laboratories.

(http://avesta.ru/wpcontent/uploads/pdf/datasheets/rus/EFOA-SH-UB_datasheet_rus.pdf). (http://avesta.ru/wpcontent/uploads/pdf/datasheets/rus/EFOA-SH-UB_datasheet_rus.pdf).

Несмотря на хорошую универсальность, у прибора существует ряд недостатков: ограниченность ресурса одномодовой накачки, ограниченная выходная мощность фемтосекундного волоконного лазера, невозможность регулирования длительности выходных импульсов без изменения резонатора, сложность усиления импульсов (для повышения эффективности требуются дополнительные элементы), использование дорогостоящих специальных (фотонно-кристаллических, микроструктурированных) волокон,которые еще больше усложняют конструкцию лазерной системы.Despite good versatility, the device has a number of disadvantages: limited single-mode pump resource, limited output power of a femtosecond fiber laser, impossibility to control the output pulse duration without changing the resonator, complexity of pulse amplification (additional elements are required to increase efficiency), the use of expensive special (photon- crystalline, microstructured) fibers, which further complicate the design of the laser system.

Технический результат заключается в увеличении ресурса накачки, повышении выходной мощности волоконного лазера, для усиления импульсов не требуется дополнительных элементов, увеличение выходной мощности после усилителя, получение стабильного самозапуска, а также получение плоского и широкого спектра суперконтинуума без использования специальных волокон.The technical result consists in increasing the pumping resource, increasing the output power of the fiber laser, no additional elements are required to amplify the pulses, increasing the output power after the amplifier, obtaining stable self-starting, and also obtaining a flat and wide spectrum supercontinuum without the use of special fibers.

Сущность изобретения заключается в том, что многофункциональный волоконный лазерный источник шумоподобных импульсов включает в себя задающий волоконный эрбиевый лазерный источник шумоподобных импульсов, волоконный усилитель на встречной накачке и кусок нелинейного оптического волокна на кварцевой основе. Используют длинный волоконный кольцевой резонатора 190 м и многомодовую накачку. При этом возможна регулировка оптических характеристик задающего волоконного эрбиевого лазерного источника без изменения резонатора, а также подстройка выходного спектра суперконтинуума.The essence of the invention lies in the fact that a multifunctional fiber laser source of noise-like pulses includes a master fiber erbium laser source of noise-like pulses, a counter-pumped fiber amplifier and a piece of a quartz-based nonlinear optical fiber. A 190 m long fiber ring cavity and multimode pumping are used. In this case, it is possible to adjust the optical characteristics of the master fiber erbium laser source without changing the resonator, as well as adjust the output spectrum of the supercontinuum.

На фиг. 1 представлена схема многофункционального волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов; на фиг. 2 (а, б, в, г) приведены оптические характеристики задающего волоконного эрбиевого лазерного источника шумоподобных импульсов; на фиг. 3 (а, б) – приведены оптические и энергетические характеристики шумоподобного импульса на выходе волоконного усилителя на встречной накачке; на фиг.4 - спектры суперконтинуума.In FIG. 1 shows a diagram of a multifunctional fiber laser source of noise-like pulses; in fig. 2 (a, b, c, d) shows the optical characteristics of the master fiber erbium laser source of noise-like pulses; in fig. 3 (a, b) show the optical and energy characteristics of a noise-like pulse at the output of a counter-pumped fiber amplifier; figure 4 - spectra of the supercontinuum.

Многофункциональный волоконный лазерный источник шумоподобных импульсов состоит из эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов 1, волоконного усилителя на встречной накачке 2 и куска нелинейного волокна на кварцевой основе 3. Конструкция эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов включает в себя полупроводниковый (п/п) диод накачки 4 и однонаправленный кольцевой резонатор длиной 190 м. В качестве источника накачки используется многомодовый п/п диод 4 с длиной волны 976 нм и мощностью 4 Вт. Резонатор эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов состоит из сумматора накачки с сигнальной жилой 5, солегированного ионами Yb^3+/Er³⁺ активного волокна (EYDF) 6, оптического изолятора (ISO) 7, первого контроллера поляризации (PC 1) 8, делителя поляризации (PBS) 9, второго контроллера поляризации (PC 2) 10, бухты одномодового оптического волокна (SM) длиной 180 m 11. Излучение от п/п диода накачки 4 вводится в резонатор волоконного лазера при помощи сумматора накачки 5 с сигнальной жилой (2+1)х1. Однонаправленное распространение сигнала обеспечивает оптический изолятор 7. Пассивная синхронизация мод достигается за счет совместного действия нелинейного вращения плоскости поляризации и дискриминации поляризационных состояний внутрирезонаторными контроллерами поляризации 8 и 10. После достижения импульсной генерации, сигнал подается через разветвитель (1х3) 12 в волоконный усилитель на встречной накачке 2. Волоконный усилитель на встречной накачке 2 состоит из следующих элементов: многомодового п/п диода накачки 16 с длиной волны 976 нм и мощностью 30 Вт, сумматора накачки с сигнальной жилой (2+1)х1 15, солегированного ионами Yb^3+/Er³⁺ активного волокна (EYDF) 14 и оптического изолятора (ISO) 13, который предотвращает попадание излучения в резонатор эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов. Для предотвращения повреждения волоконных компонентов, как волоконного усилителя 2, так и эрбиевого волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов 1 дополнительно ограничивают выходную мощность накачки. После усиления шумоподобный импульс вводится через разветвитель 17 в нелинейное волокно на кварцевой основе 3. В качестве нелинейного волокна на кварцевой основе использовались оптические волокна легированные оксидом германия GeO₂18 с длиной волны нулевой дисперсии 1480 нм (Ge1) и 1565 нм (Ge3).A multifunctional fiber laser source of noise-like pulses consists of an erbium fiber laser source of noise-like pulses 1, a counter-pumped fiber amplifier 2, and a piece of nonlinear quartz-based fiber 3. The design of an erbium fiber laser source of noise-like pulses includes a semiconductor (p/p) pump diode 4 and a unidirectional ring resonator with a length of 190 m. A multimode p/p diode 4 with a wavelength of 976 nm and a power of 4 W is used as a pump source. The resonator of an erbium fiber laser source of noise-like pulses consists of a pump adder with a signal core 5, an active fiber (EYDF) 6 co-doped with Yb 3+ ^/ Er ³⁺ ions, an optical isolator (ISO) 7, the first polarization controller (PC 1) 8, a polarization divider (PBS) 9, the second polarization controller (PC 2) 10, coils of single-mode optical fiber (SM) with a length of 180 m 11. 1)x1. Optical isolator 7 provides unidirectional signal propagation. Passive mode locking is achieved due to the combined action of the nonlinear rotation of the polarization plane and discrimination of polarization states by intracavity polarization controllers 8 and 10. After achieving pulse generation, the signal is fed through a splitter (1x3) 12 to a counter-pumped fiber amplifier 2. A counter-pumped fiber amplifier 2 consists of the following elements: a multimode p/p pump diode 16 with a wavelength of 976 nm and a power of 30 W, a pump adder with a signal core (2 + 1)x1 15, co-doped with Yb 3+ ^/ Er ions ³⁺ active fiber (EYDF) 14 and an optical isolator (ISO) 13, which prevents radiation from entering the cavity of the erbium fiber laser source of noise-like pulses. To prevent damage to the fiber components, both the fiber amplifier 2 and the erbium fiber laser source of noise-like pulses 1 further limit the output power of the pump. After amplification, a noise-like pulse is introduced through a splitter 17 into a non-linear quartz-based fiber 3. Optical fibers doped with germanium oxide GeO ₂ 18 with a zero dispersion wavelength of 1480 nm (Ge1) and 1565 nm (Ge3) were used as a nonlinear quartz-based fiber.

Устройство работает следующим образом. В резонатор волоконного лазера 1 вводится излучение от п/п диода накачки 4 при помощи сумматора накачки 5 с сигнальной жилой (2+1)х1. Пассивная синхронизация мод осуществляется на основе нелинейного вращения плоскости поляризации, которое обеспечивается парой контроллеров поляризации 8,10 и делителя поляризации (PBS) 9. При точной настройке мощности накачки и положения контроллеров поляризации 8,10 обеспечивается стабильный самозапуск режима генерации шумоподобных импульсов. Далее шумоподобный импульс вводится в волоконный усилитель на встречной накачке 2, где происходит его усиление, а затем спектральное преобразование в нелинейном волокне на кварцевой основе 3.The device works as follows. Radiation from a p/p pump diode 4 is introduced into the fiber laser resonator 1 by means of a pump adder 5 with a signal core (2+1)x1. Passive mode locking is based on a nonlinear rotation of the polarization plane, which is provided by a pair of polarization controllers 8,10 and a polarization divider (PBS) 9. With fine tuning of the pump power and the position of the polarization controllers 8,10, a stable self-starting of the noise-like pulse generation mode is provided. Next, a noise-like pulse is introduced into a counter-pumped fiber amplifier 2, where it is amplified and then spectrally transformed in a nonlinear quartz-based fiber 3.

При настройке контроллеров поляризации и мощности накачки (фиг. 2 а, в) может регулироваться ширина спектра (на уровне 3 дБ от 5 до 20 нм), длительность (фиг. 2 б, г) когерентного пика (от 300 фс до 1,1 пс) при постоянной частоте повторения импульсов (f=1,1 МГц), центральная длина волны 1,565±20нм. Средняя выходная мощность более 20 мВт, что дает энергию в импульсе 18 нДж. После усиления ширина спектра больше 40 нм (фиг. 3, а), по оценке длительность когерентного пика составляет 120 фс при неизменной частоте следования импульсов. Средняя выходная мощность составляет более 300 мВт (фиг.3, б) и ограничивается мощностью накачки, которую могут выдержать оптические компоненты системы без повреждения. Оценка энергии в импульсе дает значение более 270 нДж. При использовании нелинейного волокна на кварцевой основе (нелинейность γ ≈ 10 Вт^-1км^-1) импульс претерпевает сверхуширение и генерация суперконтинуума (фиг.4) происходит в области 1050-2300 нм. При этом, дополнительно изменяя значения длины нулевой дисперсии, можно регулировать плоскостность спектра. Рабочее значение температуры составило 24^оС. Из полученных результатов следует, что предлагаемая конструкция многофункционального волоконного лазерного источника шумоподобных импульсов позволяет: When adjusting the polarization and pump power controllers (Fig. 2 a, c), the spectrum width (at the level of 3 dB from 5 to 20 nm), the duration (Fig. 2 b, d) of the coherent peak (from 300 fs to 1.1 ps) at a constant pulse repetition rate ( f = 1.1 MHz), central wavelength 1.565 ± 20 nm. The average output power is more than 20 mW, which gives an energy per pulse of 18 nJ. After amplification, the spectrum width is greater than 40 nm (Fig. 3a), according to the estimate, the duration of the coherent peak is 120 fs at a constant pulse repetition rate. The average output power is more than 300 mW (Fig. 3b) and is limited by the pump power that the optical components of the system can withstand without damage. Estimated energy per pulse gives a value of more than 270 nJ. When using a non-linear quartz-based fiber (nonlinearity γ ≈ 10 W ^-1 km ^-1 ) the pulse undergoes overbroadening and supercontinuum generation (Fig.4) occurs in the region of 1050-2300 nm. In this case, by additionally changing the values of the zero dispersion length, one can control the flatness of the spectrum. The operating temperature was 24 ^o C. From the obtained results it follows that the proposed design of the multifunctional fiber laser source of noise-like pulses allows:

1) за счет использования многомодовой накачки повысить ресурс использования источника накачки; 1) due to the use of multimode pumping, increase the service life of the pump source;

2) схема не требует дорогостоящих дополнительных элементов и позволяет изготовить цельноволоконный многофункциональный лазерный источник; 2) the scheme does not require expensive additional elements and makes it possible to manufacture an all-fiber multifunctional laser source;

3) использование длинного резонатора 190м и шумоподобного импульса в качестве задающего импульса приводит к увеличению как выходной мощности задающего волоконного лазерного источника (> 20 мВт при энергии в импульсе более 18 нДж), так и увеличению выходной мощности после усилителя (> 300 мВт при энергии в импульсе более 270 нДж); 3) the use of a long resonator 190 m and a noise-like pulse as a master pulse leads to an increase in both the output power of the master fiber laser source (> 20 mW at a pulse energy of more than 18 nJ) and an increase in the output power after the amplifier (> 300 mW at an energy of impulse more than 270 nJ);

4) возможность регулирования длительности импульсов без изменения резонатора в диапазоне от 300 фс до 1,2 пс;4) the ability to control the pulse duration without changing the resonator in the range from 300 fs to 1.2 ps;

5) увеличение средней выходной мощности приводит к возможности получения более широкого спектра суперконтинуума в области 1050-2300 нм; 5) an increase in the average output power leads to the possibility of obtaining a wider spectrum of the supercontinuum in the region of 1050-2300 nm;

6) использование оптических волокон легированных оксидом германия GeO₂ с различной длиной волны нулевой дисперсии (1480-1600 нм) позволяет регулировать плоскостность и ширину спектра суперконтинуума.6) the use of optical fibers doped with germanium oxide GeO ₂ with different wavelengths of zero dispersion (1480-1600 nm) allows you to control the flatness and width of the supercontinuum spectrum.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет увеличить ресурс накачки, повысить выходную мощность волоконного лазера, не требует для усиления импульсов дополнительных элементов, увеличить выходную мощность после усилителя, получить стабильный самозапуск, а также получить плоский и широкий спектр суперконтинуума без использования специальных волокон. Compared with the known solution, the proposed solution allows to increase the pump resource, increase the output power of the fiber laser, does not require additional elements to amplify the pulses, increase the output power after the amplifier, obtain stable self-starting, and also obtain a flat and wide supercontinuum spectrum without the use of special fibers.

Claims

The multifunctional fiber laser source of noise-like pulses includes a master fiber erbium laser source of noise-like pulses, a counter-pumped fiber amplifier and a piece of non-linear quartz-based optical fiber, characterized in that it uses a long fiber ring cavity of 190 m and multimode pumping, while adjustment is possible optical characteristics of the master fiber erbium laser source without changing the resonator, as well as tuning the output spectrum of the supercontinuum.