EA014088B1 - Device for amplifying an optical signal - Google Patents
Device for amplifying an optical signal Download PDFInfo
- Publication number
- EA014088B1 EA014088B1 EA200802157A EA200802157A EA014088B1 EA 014088 B1 EA014088 B1 EA 014088B1 EA 200802157 A EA200802157 A EA 200802157A EA 200802157 A EA200802157 A EA 200802157A EA 014088 B1 EA014088 B1 EA 014088B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- closed volume
- optical
- wall
- amplifying
- radiation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптики, в частности к технике лазеров и оптических усилителей.The invention relates to the field of optics, in particular to the technique of lasers and optical amplifiers.
Уровень техникиState of the art
Усилители оптического сигнала играют ключевую роль в области оптических телекоммуникаций, лазерной техники и фотоники. Так, оптические усилители являются неотъемлемой частью современных высокоскоростных оптических линий связи и служат для компенсации затухания передаваемого сигнала, а также в схемах периодической компрессии оптических импульсов, кодирующих передаваемую информацию. Другим исключительно важным и широко распространённым применением оптических усилителей являются лазеры и лазерные системы. Действительно, любая схема лазера включает оптический усилитель и систему положительной обратной связи (оптический резонатор). Мощные лазерные системы, используемые в промышленности для резки металлов, сварки и других технологических процессов, состоят обычно из задающего лазера и одного или нескольких оптических усилителей, обеспечивающих высокий уровень мощности оптического излучения на выходе из лазерной системы. Чрезвычайная широта области применений лазеров и лазерной техники обуславливает актуальность задачи усовершенствования устройств для усиления оптического сигнала.Optical signal amplifiers play a key role in optical telecommunications, laser technology and photonics. So, optical amplifiers are an integral part of modern high-speed optical communication lines and are used to compensate for the attenuation of the transmitted signal, as well as in the periodic compression schemes of optical pulses encoding the transmitted information. Another extremely important and widespread use of optical amplifiers is lasers and laser systems. Indeed, any laser circuit includes an optical amplifier and a positive feedback system (optical resonator). Powerful laser systems used in industry for cutting metals, welding and other technological processes usually consist of a master laser and one or more optical amplifiers providing a high level of optical radiation power at the output of the laser system. The extreme breadth of the field of application of lasers and laser technology determines the urgency of the task of improving devices for amplifying an optical signal.
Известно устройство для усиления оптического сигнала и в том числе для получения лазерной генерации, состоящее из оптического волокна, сердцевина которого легирована редкоземельными металлами (эрбием или эрбием и иттербием). С помощью оптических ответвителей в волокно вводится сигнал и излучение накачки; излучение накачки создаёт инверсию населённостей уровней редкоземельных металлов; при прохождении по волокну с инверсной населённостью уровней происходит усиление оптического сигнала (патент И8 5161050 [1]). Недостатком такой схемы является относительно невысокий уровень мощности усиленного сигнала, что связано с существенным ограничением мощности излучения накачки, которое можно заводить в волокно через ответвитель. Типичные ограничения на мощность заводимого через ответвитель излучения составляют 1-3 Вт.A device is known for amplification of an optical signal, including laser generation, consisting of an optical fiber whose core is doped with rare-earth metals (erbium or erbium and ytterbium). Using optical couplers, a signal and pump radiation are introduced into the fiber; pump radiation creates an inversion of the populations of rare earth metal levels; when passing through a fiber with an inverted population of levels, the optical signal is amplified (patent I8 5161050 [1]). The disadvantage of this scheme is the relatively low power level of the amplified signal, which is associated with a significant limitation of the power of the pump radiation, which can be introduced into the fiber through the coupler. Typical limits on the power of radiation generated through a coupler are 1-3 watts.
Известны устройства для усиления оптического сигнала и лазерной генерации, включающие оптическое волокно с двумя оболочками - внутренней и внешней, и схемы введения оптического сигнала и излучения накачки в волокно. Кварцевая сердцевина волокна легирована редкоземельными металлами и обеспечивает усиление распространяющегося по ней оптического сигнала. Излучение накачки распространяется по внутренней кварцевой оболочке волокна и пересекает сердцевину, поглощаясь атомами редкоземельных металлов и создавая в них инверсную населённость квантовых уровней энергии (статья ϋρΐίοδ Ьейега. 1998, νοί. 23, р. 1037-1039 [2]). Недостатком таких устройств является сложность одновременного введения в волокно оптического сигнала и накачки. Для введения излучения накачки в оптическое волокно с двумя оболочками одновременно с введением оптического сигнала используются дихроичные зеркала, боковая накачка через многомодовые ответвители, а также введение накачки через бороздки, вытравленные на поверхности оболочек волокна. Однако ни одна из этих схем введения излучения накачки не обеспечивает достаточно простого, эффективного и одновременно надёжного способа введения излучения накачки в волоконный усилитель или лазер, особенно в случае использования нескольких источников накачки при создании мощных лазеров.Known devices for amplifying an optical signal and laser generation, including an optical fiber with two sheaths - internal and external, and a circuit for introducing an optical signal and pump radiation into the fiber. The quartz fiber core is doped with rare earth metals and provides amplification of the optical signal propagating through it. Pump radiation propagates through the inner quartz cladding of the fiber and crosses the core, being absorbed by atoms of rare-earth metals and creating an inverse population of quantum energy levels in them (paper ϋρΐίοδ Leyega. 1998, νοί. 23, p. 1037-1039 [2]). The disadvantage of such devices is the difficulty of simultaneously introducing an optical signal and pumping into the fiber. To introduce pump radiation into an optical fiber with two shells, dichroic mirrors, lateral pumping through multimode couplers, and also pumping through grooves etched on the surface of the fiber shells are used simultaneously with the introduction of the optical signal. However, none of these schemes for introducing pump radiation provides a sufficiently simple, efficient, and at the same time reliable method for introducing pump radiation into a fiber amplifier or laser, especially if several pump sources are used to create high-power lasers.
Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемому изобретению является устройство, защищённое патентом ϋδ 7221822 [3] Многоволоконное устройство для мощных волоконных лазеров и усилителей. Конструкция прототипа включает два или более отрезка оптического волокна. Как минимум, по одному из отрезков волокон распространяется оптическое излучение накачки, ещё, как минимум, один из отрезков волокна служит для усиления оптического сигнала, для чего его сердцевина легирована редкоземельными металлами. Боковые поверхности смежных отрезков оптических волокон находятся в оптическом контакте друг с другом на длине, обеспечивающей необходимое поглощение излучения накачки в усиливающем волокне. Отрезки оптических волокон, входящие в состав устройства, в средней части имеют общую оболочку, образующую замкнутый объём; концы отрезков, выходящие за пределы замкнутого объема служат для ввода-вывода излучения. Как минимум, в один из отрезков усиливающих оптических волокон вводится оптический сигнал, как минимум, ещё в одно из волокон вводится излучение накачки. Поскольку волокна в устройстве находятся в оптическом контакте, излучение накачки, распространяющееся в оболочечных модах, как минимум, одного из волокон, проникает в одно или несколько активных волокон, где поглощается атомами редкоземельных металлов и создает инверсную населённость их уровней. Это приводит к эффективному усилению оптического сигнала, распространяющегося в активном волокне.The closest analogue prototype of the present invention is a device protected by patent ϋδ 7221822 [3] A multi-fiber device for high-power fiber lasers and amplifiers. The design of the prototype includes two or more pieces of optical fiber. At least one of the fiber segments propagates optical pump radiation, and at least one of the fiber segments serves to amplify the optical signal, for which its core is doped with rare-earth metals. The lateral surfaces of adjacent segments of optical fibers are in optical contact with each other for a length that provides the necessary absorption of pump radiation in the amplifying fiber. The segments of optical fibers that make up the device in the middle part have a common shell that forms a closed volume; the ends of the segments that extend beyond the confined volume are used for input-output radiation. At least one of the segments of the amplifying optical fibers is injected with an optical signal, at least one more fiber is injected with pump radiation. Since the fibers in the device are in optical contact, the pump radiation propagating in the cladding modes of at least one of the fibers penetrates one or more active fibers, where it is absorbed by rare-earth metal atoms and creates an inverse population of their levels. This leads to an effective amplification of the optical signal propagating in the active fiber.
Недостатком прототипа является сложность изготовления системы, состоящей из двух или более волокон, боковые поверхности которых находятся в оптическом контакте друг с другом на достаточно большой длине, обеспечивающей эффективное поглощение излучения накачки в усиливающем волокне. Так, например, в патенте описан способ изготовления, состоящий в том, что две или более заготовок оптических волокон вытягиваются под определённым давлением и с определённой скоростью в башне для вытяжки оптических волокон, причём давление и скорость выбираются таким образом, чтобы обеспечить продольный оптический контакт боковых поверхностей оптических волокон. Таким образом, для изготовления устройства-прототипа требуются большие дорогостоящие стационарные промышленные установки по вытяжке волокна, что обуславливает высокую себестоимость изготовления устройстваThe disadvantage of the prototype is the complexity of manufacturing a system consisting of two or more fibers, the lateral surfaces of which are in optical contact with each other over a sufficiently long length, which ensures effective absorption of pump radiation in the amplifying fiber. So, for example, the patent describes a manufacturing method, which consists in the fact that two or more preforms of optical fibers are drawn under a certain pressure and at a certain speed in a tower for drawing optical fibers, and the pressure and speed are selected so as to provide longitudinal optical contact of the side surfaces of optical fibers. Thus, the manufacture of the prototype device requires large expensive stationary industrial installations for the extraction of fibers, which leads to the high cost of manufacturing the device
- 1 014088 прототипа, особенно в случае изготовления малых партий устройств, либо устройств, состоящих из нестандартных волокон. Ещё одним недостатком прототипа является необходимость введения излучения накачки в оптическое волокно, сопряженная с необходимостью использования источника накачки с высоким качеством оптического пучка, отличающихся меньшей надёжностью и более высокой стоимостью от источников накачки с более низким качеством пучка.- 1 014088 prototype, especially in the case of manufacturing small batches of devices, or devices consisting of non-standard fibers. Another disadvantage of the prototype is the need to introduce pump radiation into the optical fiber, coupled with the need to use a pump source with a high optical beam quality, which is less reliable and has a higher cost from pump sources with lower beam quality.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание устройства для усиления оптического сигнала, которое позволило бы упростить процедуру его изготовления, сократить время изготовления одного образца и существенно снизить его себестоимость, а также снизить требования на качество пучка источников оптической накачки.The problem solved by the present invention is to provide a device for amplifying an optical signal, which would simplify the procedure for its manufacture, reduce the manufacturing time of one sample and significantly reduce its cost, as well as reduce the quality requirements of a beam of optical pump sources.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, состоящем из одного или более источников накачки и замкнутого объёма, в который введен один или более отрезков усиливающего оптического волокна, вход и выход которых выведены за пределы замкнутого объема, замкнутый объём, имеющий, например, торообразную форму, снабжен одним или более окнами для входа и выхода отрезков усиливающего оптического волокна и имеет одно или более окон для ввода излучения накачки и обеспечивает условия полного внутреннего отражения оптического излучения от источника накачки, так что излучение накачки неоднократно проходит через замкнутый объем и пересекает усиливающее волокно.The problem is solved due to the fact that in the known device consisting of one or more pump sources and a closed volume, into which one or more segments of an amplifying optical fiber are inserted, the input and output of which are outside the closed volume, a closed volume having, for example , toroidal shape, is equipped with one or more windows for entering and exiting segments of the amplifying optical fiber and has one or more windows for inputting pump radiation and provides conditions for the total internal reflection of the optical radiation from the pumping source so that the pump radiation passes repeatedly through a closed volume and intersects the reinforcing fiber.
Замкнутый объём имеет торообразную форму, т.е. имеет вид трубки, начало и конец которой соединены, что позволяет излучению накачки неоднократно проходить через замкнутый объём. Трубка с соединенными началом и концом может, например, образовывать окружность (при этом замкнутый объём представляет собой тор) или спираль, начало и конец которой соединены.The closed volume has a toroidal shape, i.e. has the form of a tube, the beginning and end of which are connected, which allows pump radiation to repeatedly pass through a closed volume. A tube with a beginning and an end connected, for example, can form a circle (in this case the closed volume is a torus) or a spiral, the beginning and end of which are connected.
Замкнутый объем имеет стенку, изготовленную из материала, прозрачного для оптического излучения накачки, например из стекла, кварца или другого материала, которая может быть покрыта (или не покрыта) с внешней поверхности оболочкой.The enclosed volume has a wall made of a material that is transparent to optical pump radiation, such as glass, quartz, or other material that may be coated (or not coated) with an outer shell.
Пространство между усиливающим оптическим волокном, находящимся в замкнутом объеме, и внутренней поверхностью стенки замкнутого объема равномерно заполняется материалом, прозрачным для оптического излучения накачки, который может быть в жидком, гелеобразном или другом состоянии (материал заполнения). При этом абсолютное значение разности показателей преломления стенки замкнутого объёма и материала заполнения не должно превосходить величины, обеспечивающей превышение коэффициента усиления оптического сигнала над коэффициентом его затухания в устройстве, а также превышение возможностей теплоотвода из устройства над суммарной мощностью потерь оптического излучения накачки и оптического сигнала в устройстве.The space between the amplifying optical fiber located in the closed volume and the inner surface of the wall of the closed volume is uniformly filled with a material transparent to optical pump radiation, which can be in a liquid, gel, or other state (filling material). In this case, the absolute value of the difference between the refractive indices of the wall of the closed volume and the filling material should not exceed the value ensuring the excess of the gain of the optical signal over its attenuation coefficient in the device, as well as the excess of the possibilities of heat removal from the device over the total power loss of the optical pump radiation and optical signal in the device .
Средняя часть одного или более отрезков усиливающего оптического волокна, размещенная в замкнутом объёме, может состоять из сердцевины и оболочки, показатели преломления которых обеспечивают распространение оптического сигнала в сердцевине усиливающего волокна за счёт эффекта полного внутреннего отражения на границе сердцевины с оболочкой.The middle part of one or more segments of the amplifying optical fiber, placed in a closed volume, can consist of a core and a shell, the refractive indices of which provide the propagation of the optical signal in the core of the amplifying fiber due to the effect of total internal reflection at the boundary between the core and the shell.
Средняя часть усиливающего оптического волокна, размещенная в замкнутом объеме, может иметь однородный показатель преломления по поперечному сечению, превышающий показатель преломления материала заполнения.The middle part of the amplifying optical fiber, placed in a closed volume, may have a uniform refractive index over the cross section greater than the refractive index of the filling material.
Пространство между усиливающим оптическим волокном и внутренней поверхностью стенки замкнутого объема равномерно заполнено материалом заполнения. При этом возможны следующие варианты соотношений показателей преломления материалов, образующих элементы системы: материала стенки замкнутого объема п2, материала заполнения п3, внешней среды, окружающей замкнутый объём п12, наименьшего по поперечному сечению показателя преломления среднего участка отрезка усиливающего волокна п7т1П;The space between the amplifying optical fiber and the inner surface of the wall of the enclosed volume is uniformly filled with filling material. In this case, the following variants of the ratios of refractive indices of the materials forming the system elements are possible: wall material of closed volume n 2 , filling material n 3 , external environment surrounding the closed volume n 12 , the smallest cross section of the refractive index of the middle section of the reinforcing fiber segment n 7t1P ;
первый вариант:first option:
П7Ш|П > П3 > П12P 7Sh | P > P 3 > P12
Здесь первое неравенство означает возможность входа излучения в усиливающее волокно из материала заполнения, второе неравенство обусловливает невыход излучения в окружающую среду из замкнутого объёма за счёт полного внутреннего отражения на границе с окружающей средой;Here, the first inequality means the possibility of radiation entering the amplifying fiber from the filling material, the second inequality causes the radiation to not enter the environment from the closed volume due to total internal reflection at the boundary with the environment;
второй вариант:second option:
П7тт>П3> П2 P 7 tt> P 3 > P 2
Здесь первое неравенство означает возможность входа излучения в усиливающее волокно из материала заполнения, второе неравенство обеспечивает возможность полного внутреннего отражения на границе материала заполнения со стенкой замкнутого объёма;Here, the first inequality means that radiation can enter the reinforcing fiber from the filling material, the second inequality provides the possibility of total internal reflection at the boundary of the filling material with the wall of the closed volume;
третий вариант (для устройства, внешняя поверхность стенки замкнутого объёма которого покрыта оболочкой с показателем преломления п1):the third option (for the device, the outer surface of the wall of the closed volume of which is covered with a shell with a refractive index of n 1 ):
117т,,, > Пз > П1117t ,,,> Pz> P1
Здесь первое неравенство означает возможность входа излучения в усиливающее волокно из материала заполнения, второе неравенство обусловливает невыход излучения в оболочку из замкнутого объHere, the first inequality means the possibility of radiation entering the amplifying fiber from the filling material, the second inequality causes the radiation to not enter the cladding from the closed volume
- 2 014088 ёма за счёт полного внутреннего отражения на границе оболочки со стенкой замкнутого объёма.- 20144088 volume due to total internal reflection at the boundary of the shell with the wall of the closed volume.
Внутренний и внешний радиусы замкнутого объма должны обеспечивать выполнение условия полного внутреннего отражения для лучей накачки, идущих внутри замкнутого объема в плоскости, содержащей внешний и внутренний радиусы его, по касательной к внутренней стенке замкнутого объёма. Это достигается, например, в следующих вариантах:The inner and outer radii of the closed volume must ensure that the conditions of total internal reflection for the pump rays traveling inside the closed volume in a plane containing its outer and inner radii are tangent to the inner wall of the closed volume. This is achieved, for example, in the following options:
первый вариант: замкнутый объём выполнен в форме тора, стенка которого покрыта снаружи оболочкой, причём радиусы тора удовлетворяют соотношениюthe first option: the closed volume is made in the form of a torus, the wall of which is covered with an outer shell, and the radii of the torus satisfy the relation
где г - малый (внутренний) радиус тора,where r is the small (inner) radius of the torus,
К - большой (внешний) радиус тора, щ - показатель преломления оболочки стенки тора, η3 - показатель преломления материала заполнения; второй вариант: замкнутый объём выполнен в форме тора, радиусы которого удовлетворяют соотношениюK is the large (external) radius of the torus, u is the refractive index of the shell of the torus wall, η 3 is the refractive index of the filling material; second option: the closed volume is made in the form of a torus, the radii of which satisfy the relation
где г - малый (внутренний) радиус тора,where r is the small (inner) radius of the torus,
К - большой (внешний) радиус тора, η3 - показатель преломления материала заполнения,K is the large (external) radius of the torus, η3 is the refractive index of the filling material,
П|2 - показатель преломления внешней среды, окружающей замкнутый объём;P | 2 is the refractive index of the external environment surrounding a closed volume;
третий вариант: замкнутый объём выполнен в форме тора, радиусы которого удовлетворяют соотношениюthird option: the closed volume is made in the form of a torus, the radii of which satisfy the relation
где г - малый (внутренний) радиус тора,where r is the small (inner) radius of the torus,
К - большой (внешний) радиус тора, η2 - показатель преломления стенки тора, η3 - показатель преломления материала заполнения.K is the large (external) radius of the torus, η2 is the refractive index of the torus wall, η3 is the refractive index of the filling material.
На одно или более окон для ввода оптического излучения накачки может быть нанесено просветляющее оптическое покрытие для уменьшения оптических потерь излучения накачки при вводе в замкнутый объём.An antireflective optical coating may be applied to one or more windows for introducing optical pump radiation to reduce optical losses of the pump radiation when introduced into a closed volume.
Окна в стенке замкнутого объёма для входа и выхода отрезков усиливающего оптического волокна могут иметь светоотражающее покрытие для уменьшения потерь излучения накачки, распространяющегося внутри замкнутого объёма.Windows in the wall of the closed volume for the entry and exit of segments of the amplifying optical fiber can have a reflective coating to reduce the loss of pump radiation propagating inside the closed volume.
Одно или более окон для ввода оптического излучения накачки могут быть выполнены в виде бороздок на внешней поверхности стенки замкнутого объёма, причём бороздки имеют, как минимум, две боковые стенки, как минимум, одна из них шлифована, оптическое излучение накачки вводится через шлифованные боковые стенки бороздки, размеры которых достаточны для введения оптического пучка лучей накачки под углом Брюстера, а угол, который образуют шлифованные боковые стенки бороздки к внешней поверхности стенки замкнутого объёма, позволяет введенному в замкнутый объём оптическому излучению накачки распространяться, испытывая полное внутреннее отражение на стенке замкнутого объёма.One or more windows for introducing optical pump radiation can be made in the form of grooves on the outer surface of the wall of a closed volume, moreover, the grooves have at least two side walls, at least one of them is polished, the optical pump radiation is introduced through the polished side walls of the groove , the dimensions of which are sufficient for the introduction of an optical pump beam at an angle of Brewster, and the angle formed by the polished side walls of the grooves to the outer surface of the wall of a closed volume allows In a closed volume, the optical radiation of the pump propagates, experiencing complete internal reflection on the wall of the closed volume.
Одно или более окон для ввода излучения накачки могут быть выполнены в виде герметизируемых отверстий в стенке замкнутого объёма, через которые внутрь замкнутого объёма дополнительно введены отрезки оптического волокна накачки, по которым излучение накачки вводится внутрь замкнутого объёма. При этом по крайней мере часть длины каждого отрезка волокна накачки, расположенной внутри замкнутого объёма, лишена оболочки, так что излучение накачки выходит из волокна накачки через его боковую поверхность в замкнутый объём, причём числовая апертура волокна накачки обеспечивает выход излучения накачки в замкнутый объём в диапазоне углов, для которых выполняются условия полно го внутреннего отражения, а показатель преломления волокна накачки не превосходит показателя преломления материала заполнения. Одно или более окон для ввода излучения накачки может быть объединено с одним или более окнами для входа и выхода отрезков усиливающего оптического волокна.One or more windows for introducing pump radiation can be made in the form of sealed holes in the wall of the closed volume, through which segments of the optical pump fiber are additionally introduced inside the closed volume, through which the pump radiation is introduced inside the closed volume. At the same time, at least part of the length of each segment of the pump fiber located inside the closed volume is devoid of a shell, so that the pump radiation leaves the pump fiber through its side surface into a closed volume, and the numerical aperture of the pump fiber ensures that the pump radiation reaches the closed volume in the range angles for which the conditions of total internal reflection are satisfied, and the refractive index of the pump fiber does not exceed the refractive index of the filling material. One or more windows for introducing pump radiation can be combined with one or more windows for entering and exiting segments of the amplifying optical fiber.
Излучение накачки может быть введено в замкнутый объем в двух противоположных направлениях.Pump radiation can be introduced into a closed volume in two opposite directions.
Замкнутый объем может иметь дополнительные ввод и вывод для прокачки материала заполнения.The closed volume may have additional input and output for pumping the filling material.
Как минимум один из отрезков усиливающего оптического волокна может быть использован в качестве усиливающей среды для получения лазерной генерации. Для этого вход и выход отрезка усиливающего волокна должны быть встроены в лазерный резонатор, имеющий как минимум одно частично пропускающее зеркало либо (в случае кольцевого резонатора) ответвитель для вывода генерируемого лазерного излучения.At least one of the segments of the amplifying optical fiber can be used as an amplifying medium for laser generation. To do this, the input and output of a segment of the amplifying fiber must be integrated into the laser resonator having at least one partially transmitting mirror or (in the case of a ring resonator) a coupler for outputting the generated laser radiation.
В устройстве, включающем как минимум два отрезка усиливающего оптического волокна, как минимум один из отрезков усиливающего оптического волокна может быть использован в качестве усиливающей среды для получения лазерной генерации, а еще как минимум один - для усиления генерируемого лазерного излучения. Для этого вход и выход первого отрезка усиливающего волокна должны бытьIn a device comprising at least two segments of an amplifying optical fiber, at least one of the segments of the amplifying optical fiber can be used as an amplifying medium for laser generation, and at least one more for amplifying the generated laser radiation. For this, the input and output of the first segment of the reinforcing fiber should be
- 3 014088 встроены в лазерный резонатор, имеющий как минимум одно частично пропускающее зеркало либо (в случае кольцевого резонатора) ответвитель для вывода генерируемого лазерного излучения. Генерируемое при этом лазерное излучение, отводимое из резонатора через частично пропускающее зеркало либо через ответвитель, вводится во второй отрезок усиливающего волокна устройства, где происходит его усиление. В результате с выхода второго отрезка усиливающего волокна может быть получено мощное лазерное излучение (мощностью до нескольких ватт и больше).- 3 014088 are integrated in a laser resonator having at least one partially transmitting mirror or (in the case of a ring resonator) a coupler for outputting the generated laser radiation. The laser radiation generated in this case, which is removed from the resonator through a partially passing mirror or through a coupler, is introduced into the second segment of the device’s amplifying fiber, where it is amplified. As a result, powerful laser radiation (up to several watts or more) can be obtained from the output of the second segment of the amplifying fiber.
Для механической фиксации устройства могут быть использованы места присоединения окон для ввода оптического излучения накачки к стенке замкнутого объёма, места герметизации окон в стенке замкнутого объёма для входа и выхода отрезков усиливающего оптического волокна, ввод и вывод для прокачки материала заполнения.For mechanical fixation of the device, connection points for windows for introducing optical radiation of pumping to a wall of a closed volume, places for sealing windows in a wall of a closed volume for entering and leaving segments of an amplifying optical fiber, input and output for pumping filling material can be used.
Перечень чертежейList of drawings
Описание предлагаемого устройства для усиления оптического сигнала поясняется чертежами:Description of the proposed device for amplification of the optical signal is illustrated by drawings:
фиг. 1 - схема устройства для усиления оптического сигнала; фиг. 2 - поперечный разрез замкнутого объема; фиг. 3 - поперечный разрез замкнутого объёма с другим числом усиливающих волокон; фиг. 4 схема устройства с изображением хода лучей оптического излучения накачки в замкнутом объеме; фиг. 5 схема устройства для усиления оптического сигнала с окном для ввода излучения накачки в виде бороздки; фиг. 6 - ход лучей накачки при вводе внутрь замкнутого объема через входное окно в виде бороздки; фиг. 7 - вариант схемы устройства, в котором полное внутреннее отражение излучения накачки происходит на внутренней границе стенки замкнутого объёма, с изображением хода лучей оптического излучения накачки в замкнутом объёме; фиг. 8 - вариант схемы устройства, в котором полное внутреннее отражение излучения накачки происходит на внешней границе стенки замкнутого объёма с внешней средой, с изображением хода лучей оптического излучения накачки в замкнутом объёме; фиг. 9 - вариант схемы устройства, в котором излучение накачки вводится в замкнутый объём через окно для ввода накачки по волокну накачки.FIG. 1 is a diagram of a device for amplifying an optical signal; FIG. 2 - cross section of a closed volume; FIG. 3 - cross section of a closed volume with a different number of reinforcing fibers; FIG. 4 is a diagram of a device depicting the path of the rays of optical pump radiation in a closed volume; FIG. 5 is a diagram of a device for amplifying an optical signal with a window for introducing pump radiation in the form of a groove; FIG. 6 - the course of the pump rays when entering into a closed volume through the input window in the form of a groove; FIG. 7 is a variant of the device scheme in which the total internal reflection of the pump radiation occurs at the inner boundary of the wall of the closed volume, with the image of the rays of the optical pump radiation in the closed volume; FIG. 8 is a variant of the device scheme in which the total internal reflection of the pump radiation occurs at the external boundary of the wall of the closed volume with the external medium, with the image of the rays of the optical pump radiation in the closed volume; FIG. 9 is a variant of a device circuit in which pump radiation is introduced into a closed volume through a window for pumping input through a pump fiber.
На чертежах: 1 - оболочка стенки замкнутого объема, 2 - стенка замкнутого объема, 3 - материал заполнения, 4 - один или более витков усиливающего оптического волокна, 5 - герметизируемое окно в стенке замкнутого объема для входа и выхода отрезков усиливающего оптического волокна, 6 - вход усиливающего волокна, 7 - средняя часть усиливающего волокна, 8 - выход усиливающего волокна, 9 окно для ввода излучения накачки, ориентированное под углом Брюстера и(или) покрытое просветляющим оптическим покрытием, 10 - направление распространения входящего в усиливающее устройство оптического сигнала, 11 - направление распространения выходящего усиленного оптического сигнала, 12 внешняя среда, 13 - излучение накачки, 14 - окно для ввода излучения накачки, выполненное в виде бороздки на стенке замкнутого объема, 15 - шлифованная боковая стенка бороздки, через которую вводится оптическое излучение накачки, 16 - излучение накачки, прошедшее через боковую стенку бороздки внутрь стенки замкнутого объёма, 17 - окно для ввода излучения накачки, выполненное в виде герметизируемого отверстия в стенке замкнутого объёма, 18 - волокно накачки.In the drawings: 1 is a shell of a wall of a closed volume, 2 is a wall of a closed volume, 3 is a filling material, 4 is one or more turns of a reinforcing optical fiber, 5 is a sealed window in the wall of a closed volume for entry and exit of segments of a reinforcing optical fiber, 6 - the input of the amplifying fiber, 7 - the middle part of the amplifying fiber, 8 - the output of the amplifying fiber, 9 a window for introducing pump radiation oriented at a Brewster angle and (or) covered with an antireflective optical coating, 10 - the direction of propagation of the component entering the amplifier optical signal extractor, 11 — direction of propagation of the output amplified optical signal, 12 external environment, 13 — pump radiation, 14 — window for introducing pump radiation made in the form of a groove on a wall of a closed volume, 15 — polished side wall of a groove through which it is introduced optical pump radiation, 16 — pump radiation transmitted through the side wall of the groove into the wall of the closed volume, 17 — window for introducing pump radiation, made in the form of a sealed hole in the wall of the closed oma, 18 - pump fiber.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения - работа устройстваInformation confirming the possibility of implementing the invention is the operation of the device
Излучение накачки 13 вводится через окно 9 внутрь замкнутого торообразного объёма, ограниченного стенкой 2 (см. фиг. 4), которая может быть изготовлена из стекла, кварца или другого материала, прозрачного для оптического излучения накачки. Наружная поверхность стенки 2 замкнутого объёма может быть покрыта оболочкой 1. Прошедшее через окно 9 излучение накачки 13 распространяется внутри замкнутого объёма, заполненного материалом заполнения 3. При этом излучение накачки 13 падает на стенку 2 замкнутого объёма, преломляется на границе раздела материала заполнения 3 и стенки 2, заходит внутрь стенки 2 замкнутого объёма, доходит до границы раздела стенки 2 замкнутого объёма и оболочки 1 стенки замкнутого объёма и испытывает там полное внутреннее отражение, возвращаясь в стенку 2 и далее в материал заполнения 3. Полное внутреннее отражение излучения накачки 13 от стенки 2 замкнутого объёма происходит многократно, как показано на фиг. 3, в результате чего излучение накачки 13 многократно пересекает замкнутый объём и введённый в него через окно 5 средний участок 7 усиливающего оптического волокна, делающий внутри замкнутого объёма один или более витков 4. Проходя через средний участок усиливающего волокна 7, образующего витки 4, излучение накачки 13 создаёт инверсию населённостей квантовых уровней энергии. Усиливаемый оптический сигнал 10 вводится во входной участок 6 усиливающего волокна, откуда, распространяясь по волокну, попадает в средний участок усиливающего волокна 7, образующий витки 4, где усиливается за счёт созданной инверсной населённости квантовых уровней энергии. После этого усиленный оптический сигнал попадает в выходной участок 8 усиливающего волокна и на выход устройства 11. Для работы устройства необходимо изготовление замкнутого объёма с подходящей геометрией и правильный выбор показателей преломления материалов. Так, для того чтобы излучение накачки 13, распространяющееся в материале заполнения 3 в замкнутом объёме, вошло в образующую витки 4 среднюю часть 7 отрезка усиливающего волокна и не испытало при этом полного внутреннего отражения, наименьший по поперечному сечению средней части 7 отрезка усиливающего волокна показатель преломления должен быть больше показателя преломления материала заполнения 3. Для обеспечения многократного прохождения излучения накачки 13 через замкнутый объём необходимо, чтобы показатель преломления материала заполнения 3, заполThe pump radiation 13 is introduced through the window 9 into a closed toroidal volume bounded by the wall 2 (see Fig. 4), which can be made of glass, quartz or other material transparent to optical pump radiation. The outer surface of the wall 2 of the closed volume can be covered by a shell 1. The pump radiation 13 transmitted through the window 9 propagates inside the closed volume filled with the filling material 3. In this case, the pump radiation 13 falls on the wall 2 of the closed volume and is refracted at the interface between the filling material 3 and the wall 2, goes inside the wall 2 of the closed volume, reaches the interface of the wall 2 of the closed volume and the shell 1 of the wall of the closed volume and experiences complete internal reflection there, returning to the wall 2 and further e into the filling material 3. The total internal reflection of the pump radiation 13 from the wall 2 of the closed volume occurs repeatedly, as shown in FIG. 3, as a result of which the pump radiation 13 repeatedly intersects the closed volume and the middle section 7 of the amplifying optical fiber introduced into it through the window 5, making one or more turns 4 inside the closed volume 4. Passing the pump radiation through the middle section of the amplifying fiber 7 forming the turns 4 13 creates an inversion of the populations of quantum energy levels. The amplified optical signal 10 is introduced into the input section 6 of the amplifying fiber, from where, propagating through the fiber, it enters the middle section of the amplifying fiber 7, forming coils 4, where it is amplified due to the created inverse population of quantum energy levels. After that, the amplified optical signal enters the output section 8 of the amplifying fiber and to the output of the device 11. For the operation of the device, it is necessary to produce a closed volume with a suitable geometry and the right choice of refractive indices of materials. So, in order for the pump radiation 13, propagating in the filling material 3 in a closed volume, to enter the middle part 7 of the reinforcing fiber segment forming rounds 4 and not to experience total internal reflection, the smallest refractive index over the cross section of the middle part 7 of the reinforcing fiber segment must be greater than the refractive index of the filling material 3. To ensure multiple passage of the pump radiation 13 through the closed volume, it is necessary that the refractive index of the material is filled Enya 3, fill
- 4 014088 няющего замкнутый объём, был больше показателя преломления оболочки 1, покрывающей наружную поверхность стенки 2. Наряду с последним условием на показатели преломления, другое условие должно быть наложено на геометрию замкнутого объёма. Так, замкнутый объём может быть выполнен в форме тора, при этом отношение малого и большого радиусов тора должно быть не меньше отношения показателей преломления оболочки 1 стенки тора и материала заполнения 3. Замкнутый объём может быть выполнен в виде трубки, замкнутой в виде кольца, при этом должно выполняться условие (Κ-ά) / К > П1 / Пз где К - наименьший радиус кривизны кольцеобразной трубки, в форме которой выполнен замкнутый объём, ά - максимальная толщина такой трубки,- 4 014088, which contained a closed volume, was greater than the refractive index of the shell 1 covering the outer surface of the wall 2. Along with the last condition on the refractive indices, another condition must be imposed on the geometry of the closed volume. So, a closed volume can be made in the form of a torus, while the ratio of small and large radii of the torus must be no less than the ratio of the refractive indices of the shell 1 of the torus wall and the filling material 3. The closed volume can be made in the form of a tube closed in the form of a ring, with this should satisfy the condition (Κ-ά) / K> P1 / Pz where K is the smallest radius of curvature of an annular tube in the form of which a closed volume is made, ά is the maximum thickness of such a tube,
П1 - показатель преломления оболочки 1 замкнутого объёма, п3 - показатель преломления материала заполнения 3.P1 is the refractive index of the shell 1 of a closed volume, p 3 is the refractive index of the filling material 3.
В другом варианте устройства внешняя поверхность замкнутого объёма может не покрываться оболочкой, при этом полное внутреннее отражение оптического излучения накачки 13 происходит на границе стенки замкнутого объёма с материалом заполнения 3 (см. фиг. 7). Так, излучение накачки 13 вводится через окно 9 внутрь замкнутого торообразного объёма, ограниченного стенками 2. Прошедшее через окно 9 излучение накачки 13 распространяется внутри замкнутого объёма, заполненного материалом заполнения 3. При этом излучение накачки 13 падает на стенку 2 замкнутого объёма, испытывает там полное внутреннее отражение и возвращается в материал заполнения 3. Полное внутреннее отражение излучения накачки 13 от стенки 2 замкнутого объёма происходит многократно, как показано на фиг. 7, в результате чего излучение накачки 13 многократно пересекает замкнутый объём и введённый в него через окно 5 средний участок 7 усиливающего оптического волокна, делающий внутри замкнутого объёма один или более витков 4. Проходя через средний участок усиливающего волокна 7, образующего витки 4, излучение накачки 13 создаёт инверсию населённостей квантовых уровней энергии. Усиливаемый оптический сигнал 10 вводится во входной участок 6 усиливающего волокна, откуда, распространяясь по волокну, попадает в средний участок усиливающего волокна 7, образующий витки 4, где усиливается за счёт созданной инверсной населённости квантовых уровней энергии. После этого усиленный оптический сигнал попадает в выходной участок 8 усиливающего волокна и на выход устройства 11. Для обеспечения многократного прохождения излучения накачки 13 через замкнутый объём необходимо, чтобы показатель преломления материала заполнения 3 был больше показателя преломления материала стенки 2 замкнутого объёма. Наряду с последним условием на показатели преломления, другое условие должно быть наложено на геометрию замкнутого объёма. Так, замкнутый объём может быть выполнен в форме тора, при этом отношение малого и большого радиусов тора должно быть не меньше отношения показателей преломления стенки 2 тора и материала заполнения 3. Замкнутый объём может быть выполнен в виде трубки, замкнутой в виде кольца, при этом должно выполняться условие (К-ά) / К > п2 / Пз где К - наименьший радиус кривизны кольцеобразной трубки, в форме которой выполнен замкнутый объём, ά - максимальная толщина такой трубки, п2 - показатель преломления стенки 2 замкнутого объёма, п3 - показатель преломления материала заполнения 3.In another embodiment of the device, the outer surface of the closed volume may not be covered by a shell, while the total internal reflection of the optical radiation of the pump 13 occurs at the boundary of the wall of the closed volume with the filling material 3 (see Fig. 7). So, the pump radiation 13 is introduced through the window 9 into a closed toroidal volume bounded by the walls 2. The pump radiation 13 transmitted through the window 9 propagates inside the closed volume filled with the filling material 3. In this case, the pump radiation 13 falls on the wall 2 of the closed volume, experiences a complete internal reflection and returns to the filling material 3. The total internal reflection of the pump radiation 13 from the wall 2 of the closed volume occurs repeatedly, as shown in FIG. 7, as a result of which the pump radiation 13 repeatedly crosses the closed volume and the middle section 7 of the amplifying optical fiber introduced into it through the window 5, making one or more turns 4 inside the closed volume 4. Passing the pump radiation through the middle section of the amplifying fiber 7 forming the turns 4 13 creates an inversion of the populations of quantum energy levels. The amplified optical signal 10 is introduced into the input section 6 of the amplifying fiber, from where, propagating through the fiber, it enters the middle section of the amplifying fiber 7, forming coils 4, where it is amplified due to the created inverse population of quantum energy levels. After that, the amplified optical signal enters the output section 8 of the amplifying fiber and to the output of the device 11. To ensure multiple passage of the pump radiation 13 through the closed volume, it is necessary that the refractive index of the filling material 3 be greater than the refractive index of the material of the wall 2 of the closed volume. Along with the last condition on the refractive indices, another condition must be imposed on the geometry of the closed volume. So, a closed volume can be made in the form of a torus, while the ratio of small and large radii of the torus must be not less than the ratio of the refractive indices of the wall 2 of the torus and the filling material 3. The closed volume can be made in the form of a tube closed in the form of a ring, while the condition (K-ά) / K> n 2 / Pz should be satisfied where K is the smallest radius of curvature of the annular tube in the form of which a closed volume is made, ά is the maximum thickness of such a tube, n 2 is the refractive index of the wall 2 of the closed volume, n 3 - the indicator is refracted Filling material 3.
В другом варианте устройства внешняя поверхность замкнутого объёма также может не покрываться оболочкой, при этом полное внутреннее отражение оптического излучения накачки 13 происходит на границе стенки замкнутого объёма с внешней средой 12 (см. фиг. 8). Так, излучение накачки 13 вводится через окно 9 внутрь замкнутого торообразного объёма, ограниченного стенками 2. Прошедшее через окно 9 излучение накачки 13 распространяется внутри замкнутого объёма, заполненного материалом заполнения 3. При этом излучение накачки 13 падает на стенку 2 замкнутого объёма, преломляется на границе раздела материала заполнения 3 и стенки 2, заходит внутрь стенки 2 замкнутого объёма, доходит до границы раздела стенки 2 замкнутого объёма и внешней среды 12 и испытывает там полное внутреннее отражение, возвращаясь в стенку 2 и далее в материал заполнения 3. Полное внутреннее отражение излучения накачки 13 от стенки 2 замкнутого объёма происходит многократно, как показано на фиг. 8, в результате чего излучение накачки 13 многократно пересекает замкнутый объём и введённый в него через окно 5 средний участок 7 усиливающего оптического волокна, делающий внутри замкнутого объёма один или более витков 4. Проходя через средний участок усиливающего волокна 7, образующего витки 4, излучение накачки 13 создаёт инверсию населённостей квантовых уровней энергии. Усиливаемый оптический сигнал 10 вводится во входной участок 6 усиливающего волокна, откуда, распространяясь по волокну, попадает в средний участок усиливающего волокна 7, образующий витки 4, где усиливается за счёт созданной инверсной населённости квантовых уровней энергии. После этого усиленный оптический сигнал попадает в выходной участок 8 усиливающего волокна и на выход устройства 11. Для обеспечения многократного прохождения излучения накачки 13 через замкнутый объём необходимо, чтобы показатель преломления материала заполнения 3 был больше показателя преломления внешней среды 12.In another embodiment of the device, the outer surface of the closed volume may also not be covered by a shell, while the total internal reflection of the optical radiation of the pump 13 occurs at the boundary of the wall of the closed volume with the external medium 12 (see Fig. 8). So, the pump radiation 13 is introduced through the window 9 into a closed toroidal volume bounded by the walls 2. The pump radiation 13 transmitted through the window 9 propagates inside the closed volume filled with the filling material 3. In this case, the pump radiation 13 falls on the wall 2 of the closed volume and is refracted at the boundary of the partition of the filling material 3 and the wall 2, it enters the wall 2 of the closed volume, reaches the interface of the wall 2 of the closed volume and the external environment 12 and experiences complete internal reflection there, returning to enku 2 and further to the filling material 3. Total internal reflection of the pump light 13 from the wall 2 closed volume occurs repeatedly, as shown in FIG. 8, as a result of which the pump radiation 13 repeatedly intersects the closed volume and the middle section 7 of the amplifying optical fiber introduced into it through the window 5, making one or more turns 4 inside the closed volume 4. Passing the pump radiation through the middle section of the amplifying fiber 7 forming the turns 4 13 creates an inversion of the populations of quantum energy levels. The amplified optical signal 10 is introduced into the input section 6 of the amplifying fiber, from where, propagating through the fiber, it enters the middle section of the amplifying fiber 7, forming coils 4, where it is amplified due to the created inverse population of quantum energy levels. After that, the amplified optical signal enters the output section 8 of the amplifying fiber and to the output of the device 11. To ensure multiple passage of the pump radiation 13 through the closed volume, it is necessary that the refractive index of the filling material 3 be greater than the refractive index of the external medium 12.
- 5 014088- 5 014088
Наряду с последним условием на показатели преломления, другое условие должно быть наложено на геометрию замкнутого объёма. Так, замкнутый объём может быть выполнен в форме тора, при этом отношение малого и большого радиусов тора должно быть не меньше отношения показателей преломления внешней среды 12 и материала заполнения 3. Замкнутый объём может быть выполнен в виде трубки, замкнутой в виде кольца, при этом должно выполняться условие (Κ-ά) / К > Ш2 / пз где К - наименьший радиус кривизны кольцеобразной трубки, в форме которой выполнен замкнутый объём, б - максимальная толщина такой трубки, п3 - показатель преломления материала заполнения 3, п12 - показатель преломления внешней среды 12.Along with the last condition on the refractive indices, another condition must be imposed on the geometry of the closed volume. So, a closed volume can be made in the form of a torus, while the ratio of small and large radii of the torus must be no less than the ratio of the refractive indices of the external medium 12 and the filling material 3. The closed volume can be made in the form of a tube closed in the form of a ring, while the condition (Κ-ά) / K> Ш2 / пз should be fulfilled where K is the smallest radius of curvature of the annular tube in the form of which a closed volume is made, b is the maximum thickness of such a tube, n 3 is the refractive index of the filling material 3, n 12 is the indicator refraction I'm environmental 12.
Средняя часть 7 одного или более отрезков усиливающих волокон, входящих в состав устройства, может иметь однородный показатель преломления по поперечному сечению, причём значение показателя преломления средней части усиливающего волокна должно быть больше показателя преломления материала заполнения 3. При этом усиливаемый оптический сигнал распространяется в средней части 7 отрезка(ов) усиливающего волокна, не выходя из него в материал заполнения 3, за счёт эффекта полного внутреннего отражения.The middle part 7 of one or more segments of the reinforcing fibers that are part of the device may have a uniform refractive index over the cross section, and the refractive index of the middle part of the reinforcing fiber should be greater than the refractive index of the filling material 3. In this case, the amplified optical signal propagates in the middle part 7 segment (s) of reinforcing fiber, without leaving it into the filling material 3, due to the effect of total internal reflection.
Средняя часть 7 одного или более отрезков усиливающих волокон, входящих в состав устройства, может состоять из сердцевины и оболочки, причём показатель преломления сердцевины отрезка усиливающего волокна больше показателя преломления оболочки замкнутого объёма. При этом усиливаемый оптический сигнал распространяется в сердцевине средней части 7 отрезка(ов) усиливающего волокна, не выходя из неё в материал заполнения 3 за счёт эффекта полного внутреннего отражения.The middle part 7 of one or more segments of reinforcing fibers that are part of the device may consist of a core and a sheath, and the refractive index of the core of a segment of reinforcing fibers is greater than the refractive index of a closed volume sheath. In this case, the amplified optical signal propagates in the core of the middle part 7 of the segment (s) of the reinforcing fiber, without leaving it into the filling material 3 due to the effect of total internal reflection.
Одно или несколько окон для ввода излучения накачки могут быть выполнены в виде бороздок 14 на стенке 2 замкнутого объёма. Бороздки 14 имеют как минимум две боковых стенки, как минимум одна из которых шлифована. Шлифованная стенка 15 бороздки 14 ориентирована под углом Брюстера к вводимому в замкнутый объём пучку излучения накачки 13. Ориентация стенки 15 бороздки 14 относительно поверхности стенки 2 замкнутого объёма даёт возможность вводить излучение накачки 13 внутрь замкнутого объёма в диапазоне углов, позволяющем излучению накачки 13 распространяться, испытывая полное внутреннее отражение и многократно пересекая замкнутый объём, как показано на фиг. 5. В остальном работа устройства аналогична описанной выше.One or more windows for introducing pump radiation can be made in the form of grooves 14 on the wall 2 of a closed volume. The grooves 14 have at least two side walls, at least one of which is ground. The polished wall 15 of the groove 14 is oriented at a Brewster angle to the pump radiation beam introduced into the closed volume 13. The orientation of the wall 15 of the groove 14 relative to the surface of the wall 2 of the closed volume makes it possible to introduce the pump radiation 13 inside the closed volume in the angle range allowing the pump radiation 13 to propagate, experiencing total internal reflection and repeatedly crossing the closed volume, as shown in FIG. 5. Otherwise, the operation of the device is similar to that described above.
Показатели преломления материала заполнения 3 и стенки 2 замкнутого объёма подбираются достаточно близкими друг к другу для уменьшения мощности рассеиваемого излучения. Действительно, при введении излучения накачки 13 через окно 9 или через окно, выполненное в виде бороздки 14, излучение накачки попадает сначала в стенку 2 замкнутого объёма, проходя через стенку 2, излучение накачки падает на границу стенки 2 и материала заполнения 3. При этом часть энергии уходит в виде отражённой волны обратно в стенку 2 замкнутого объёма и далее в оболочку 1 и(или) во внешнюю среду 12. Для более эффективной работы устройства необходимо минимизировать потери энергии, для чего следует уменьшить абсолютное значение разности показателей преломления стенки 2 замкнутого объёма и материала заполнения 3. Максимально допустимое значение указанного модуля разности показателей преломления должно выбираться из двух условий: превышение коэффициента усиления оптического сигнала над коэффициентом его затухания в устройстве, а также условия превышения возможностей теплоотвода из устройства над суммарной мощностью потерь оптического излучения накачки и оптического сигнала в устройстве.The refractive indices of the filling material 3 and the walls 2 of the closed volume are selected close enough to each other to reduce the power of the scattered radiation. Indeed, when the pump radiation 13 is introduced through the window 9 or through a window made in the form of a groove 14, the pump radiation first enters the wall 2 of a closed volume, passing through the wall 2, the pump radiation falls on the boundary of the wall 2 and the filling material 3. Moreover, energy goes in the form of a reflected wave back into the wall 2 of a closed volume and then into the shell 1 and (or) into the external environment 12. For more efficient operation of the device, it is necessary to minimize energy loss, for which it is necessary to reduce the absolute value of the difference so far the refractive index of the wall 2 of the closed volume and the filling material 3. The maximum allowable value of the indicated modulus of the difference in refractive index should be selected from two conditions: the excess of the optical signal gain over its attenuation coefficient in the device, as well as the conditions for the excess heat removal from the device over the total optical loss power pump radiation and optical signal in the device.
Одно или несколько окон для ввода излучения накачки могут быть выполнены в виде отверстий 17 в стенке замкнутого объёма, через которые внутрь замкнутого объёма введены отрезки волокна накачки 18, причем в данной конструкции одно или несколько окон для ввода излучения накачки в виде отверстий 17 могут быть объединены вместе с окнами 5 для входа и выхода отрезков усиливающего оптического волокна. Излучение накачки 13 вводится в один или более отрезок волокна накачки 18 и, распространяясь по нему, входит внутрь замкнутого объёма. Волокно накачки 18 лишено оболочки по крайней мере на части длины, расположенной внутри замкнутого объёма, так что излучение накачки 13 выходит из волокна накачки через его боковую поверхность в материал заполнения 3. При этом числовая апертура волокна накачки обеспечивает выход излучения накачки 13 в материал заполнения 3 в диапазоне углов, для которых выполняются условия полного внутреннего отражения излучения накачки 13 на границе замкнутого объёма. Далее излучение накачки 13 распространяется внутри замкнутого объема, многократно пересекая его и отрезки усиливающего волокна 7, образующие витки 4, и не выходя из замкнутого объёма за счёт эффекта полного внутреннего отражения на его границе. В остальном работа устройства аналогична описанному выше.One or more windows for introducing pump radiation can be made in the form of holes 17 in the wall of a closed volume through which segments of pump fiber 18 are introduced inside the closed volume, moreover, in this design one or more windows for introducing pump radiation in the form of holes 17 can be combined together with windows 5 for entry and exit of segments of the amplifying optical fiber. The pump radiation 13 is introduced into one or more segments of the pump fiber 18 and, propagating through it, enters the enclosed volume. The pump fiber 18 is devoid of cladding at least for a portion of the length located inside the enclosed volume, so that the pump radiation 13 leaves the pump fiber through its side surface into the filling material 3. In this case, the numerical aperture of the pump fiber provides the pump radiation 13 to enter the filling material 3 in the range of angles for which the conditions of total internal reflection of the pump radiation 13 are satisfied at the boundary of the closed volume. Further, the pump radiation 13 propagates inside the closed volume, repeatedly intersecting it and the segments of the amplifying fiber 7 forming the turns 4, and without leaving the closed volume due to the effect of total internal reflection at its boundary. Otherwise, the operation of the device is similar to that described above.
Для увеличения возможностей теплоотвода из устройства, особенно для создания устройств усиления оптического сигнала с высокой мощностью, можно использовать прокачку текучего материала заполнения 3. С этой целью замкнутый объём может быть дополнительно снабжён вводом и выводом для прокачки материала заполнения 3.In order to increase the possibilities of heat removal from the device, especially to create devices for amplifying an optical signal with high power, it is possible to use pumping of flowing filling material 3. For this purpose, the closed volume can be additionally equipped with an input and output for pumping filling material 3.
- 6 014088- 6 014088
Излучение накачки 13 может распространяться в замкнутом объёме сразу в двух (встречных) направлениях. Для этого замкнутый объём должен быть снабжён двумя или более окнами 9 или бороздками 14, причём как минимум через одно из окон излучение вводится в замкнутый объём одном направлении, а ещё через одно - в противоположном направлении. Другим вариантом является наличие как минимум одного окна 9, поддерживающего ввод излучения в замкнутый объём сразу в двух противоположных направлениях, либо использование сразу двух шлифованных боковых стенки 15 как минимум одной бороздки 14 для ввода излучения накачки в замкнутый объём в двух противоположных направлениях.Pump radiation 13 can propagate in a closed volume in two (oncoming) directions at once. For this, the enclosed volume must be equipped with two or more windows 9 or grooves 14, and at least through one of the windows the radiation is introduced into the enclosed volume in one direction, and another one in the opposite direction. Another option is the presence of at least one window 9 that supports the introduction of radiation into a closed volume in two opposite directions at once, or the use of two polished side walls 15 of at least one groove 14 at once for introducing pump radiation into a closed volume in two opposite directions.
Для уменьшения потерь энергии накачки при вводе в замкнутый объём, окна 9 и боковые стенки 15 бороздок 14 могут покрываться просветляющим оптическим покрытием.To reduce the energy losses of the pump when entering into a closed volume, the windows 9 and the side walls 15 of the grooves 14 can be coated with an antireflective optical coating.
Для уменьшения потерь энергии, обусловленных поглощением излучения накачки 13 в окне 5 и выходом излучения накачки 13 через окно 5 для входа и выхода отрезков усиливающего волокна, окно 5 может покрываться светоотражающим покрытием. При этом по крайней мере часть излучения накачки 13, попадающее при распространении внутри замкнутого объёма на окно 5, будет возвращена обратно в замкнутый объём, что повысит эффективность работы устройства.To reduce energy losses due to the absorption of pump radiation 13 in the window 5 and the output of the pump radiation 13 through the window 5 for entering and exiting segments of the amplifying fiber, the window 5 may be coated with a reflective coating. At the same time, at least part of the pump radiation 13, which enters the window 5 when it propagates inside the closed volume, will be returned back to the closed volume, which will increase the efficiency of the device.
Описываемое устройство может использоваться как в качестве усилителя оптического сигнала, так и в качестве активной среды для получения лазерной генерации. При наличии двух и более отрезков усиливающего волокна в замкнутом объёме устройство может использоваться для этих целей одновременно. В последнем случае лазерное излучение, генерируемое с помощью одного из отрезков усиливающего волокна, может быть подано на вход второго отрезка усиливающего волокна, не занятого для лазерной генерации, в результате чего будет получено усиленное лазерное излучение с высоким уровнем мощности.The described device can be used both as an optical signal amplifier and as an active medium for laser generation. If there are two or more pieces of reinforcing fiber in a closed volume, the device can be used for these purposes simultaneously. In the latter case, the laser radiation generated by one of the segments of the amplifying fiber can be fed to the input of the second segment of the amplifying fiber not occupied for laser generation, as a result of which high-power amplified laser radiation will be obtained.
Для механической фиксации устройства, особенно в отсутствие оболочки 1 стенки 2 замкнутого объёма, могут использоваться места присоединения к стенке 2 окон 9 для ввода излучения накачки, ввод и вывод для прокачки материала заполнения 3, а также места герметизации окон 5 в стенке 2 замкнутого объёма.For mechanical fixation of the device, especially in the absence of a shell 1 of a wall 2 of a closed volume, places of connection to the wall 2 of the windows 9 can be used to enter the pump radiation, input and output for pumping the filling material 3, as well as the place of sealing the windows 5 in the wall 2 of the closed volume.
Таким образом, предлагаемое изобретение является эффективным волоконным усилителем, который может иметь одну или несколько независимых пар входов/выходов, может быть легко изготовлен без создания специальных производственных условий и использования сложного производственного оборудования. Дополнительным преимуществом устройства является возможность использования дешевых лазерных источников накачки с низким качеством пучка.Thus, the present invention is an effective fiber amplifier, which can have one or more independent pairs of inputs / outputs, can be easily manufactured without creating special production conditions and the use of complex production equipment. An additional advantage of the device is the possibility of using cheap laser pump sources with low beam quality.
Использованные источники информацииInformation Sources Used
1. Патент И8 51610501. Patent I8 5161050
2. Орйс8 Ьейегк. 1998, νοί. 23, р. 1037-10392. Orys8 Leyegk. 1998, νοί. 23, p. 1037-1039
3. Патент И8 72218223. Patent I8 7221822
Claims (25)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA200802157A EA014088B1 (en) | 2008-10-09 | 2008-10-09 | Device for amplifying an optical signal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA200802157A EA014088B1 (en) | 2008-10-09 | 2008-10-09 | Device for amplifying an optical signal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA200802157A1 EA200802157A1 (en) | 2010-04-30 |
| EA014088B1 true EA014088B1 (en) | 2010-08-30 |
Family
ID=42307713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA200802157A EA014088B1 (en) | 2008-10-09 | 2008-10-09 | Device for amplifying an optical signal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA014088B1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2715366C2 (en) * | 2019-07-19 | 2020-02-26 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор" (АО "НИИ "Вектор") | Microwave signal delay line |
| RU2716283C2 (en) * | 2019-07-19 | 2020-03-11 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор" (АО "НИИ "Вектор") | Method for controlling microwave signal delay and delay line realizing it |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU148117A1 (en) * | 1961-08-05 | 1961-11-30 | Н.А. Валюс | Amplifier of electromagnetic waves of the light range |
| US4829529A (en) * | 1987-06-15 | 1989-05-09 | Spectra-Physics, Inc. | Laser diode pumped fiber lasers with pump cavity |
| JPH0634834A (en) * | 1992-07-22 | 1994-02-10 | Mazda Motor Corp | Optical information transmitter |
| US6873639B2 (en) * | 1993-05-28 | 2005-03-29 | Tong Zhang | Multipass geometry and constructions for diode-pumped solid-state lasers and fiber lasers, and for optical amplifier and detector |
| US20050105866A1 (en) * | 1999-04-30 | 2005-05-19 | Grudinin Anatoly B. | Multi-fibre arrangement for high power fibre lasers and amplifiers |
| US20060078009A1 (en) * | 2004-09-27 | 2006-04-13 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Optical fiber, optical fiber amplifier, and optical fiber laser light source |
-
2008
- 2008-10-09 EA EA200802157A patent/EA014088B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU148117A1 (en) * | 1961-08-05 | 1961-11-30 | Н.А. Валюс | Amplifier of electromagnetic waves of the light range |
| US4829529A (en) * | 1987-06-15 | 1989-05-09 | Spectra-Physics, Inc. | Laser diode pumped fiber lasers with pump cavity |
| JPH0634834A (en) * | 1992-07-22 | 1994-02-10 | Mazda Motor Corp | Optical information transmitter |
| US6873639B2 (en) * | 1993-05-28 | 2005-03-29 | Tong Zhang | Multipass geometry and constructions for diode-pumped solid-state lasers and fiber lasers, and for optical amplifier and detector |
| US20050105866A1 (en) * | 1999-04-30 | 2005-05-19 | Grudinin Anatoly B. | Multi-fibre arrangement for high power fibre lasers and amplifiers |
| US20060078009A1 (en) * | 2004-09-27 | 2006-04-13 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Optical fiber, optical fiber amplifier, and optical fiber laser light source |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Butusov M.M. Volokonnaya optika i priborostroenie. Leningrad, Mashinostroenie, 1987, str. 202, abzats 2, str. 203, abzats 3, str. 204, abzats 1, fig. 4.12b * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2715366C2 (en) * | 2019-07-19 | 2020-02-26 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор" (АО "НИИ "Вектор") | Microwave signal delay line |
| RU2716283C2 (en) * | 2019-07-19 | 2020-03-11 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор" (АО "НИИ "Вектор") | Method for controlling microwave signal delay and delay line realizing it |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA200802157A1 (en) | 2010-04-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6831934B2 (en) | Cladding pumped fiber laser | |
| US7792161B2 (en) | Optical fiber for fiber laser, fiber laser, and laser oscillation method | |
| US8094370B2 (en) | Cladding pumped fibre laser with a high degree of pump isolation | |
| JP3247292B2 (en) | Optical communication system | |
| US7046432B2 (en) | Optical fiber coupling arrangement | |
| EP1935068B1 (en) | Optical fibre laser | |
| KR100900793B1 (en) | Gain clamped amplifier using double clad fiber | |
| US7542488B2 (en) | Fiber laser | |
| US5923684A (en) | Fiber amplifier with multiple pass pumping | |
| JP2021163814A (en) | Optical fiber amplifier and optical communication system | |
| CN101512851B (en) | Fiber optic power laser device | |
| JP5643632B2 (en) | Multi-port coupler, and optical fiber amplifier, fiber laser apparatus and resonator using the same | |
| EA014088B1 (en) | Device for amplifying an optical signal | |
| RU2399128C2 (en) | Optical signal amplification device | |
| JP2012501532A (en) | Laser device with high average power fiber | |
| JPH08304857A (en) | Optical amplifier | |
| KR101889293B1 (en) | Laser resonator | |
| JP5202820B2 (en) | Optical coupler, fiber laser and optical fiber amplifier | |
| WO2003017440A2 (en) | Optical amplification system | |
| CN211743659U (en) | High-power bidirectional pumping fiber laser based on pumping fiber core | |
| JP2010177314A (en) | Double clad fiber, fiber laser device, and optical amplifier | |
| Jeong et al. | Enhancement of butt-coupling pump efficiency In a new Nd-doped large core double clad fiber laser cavity adlabatlcally tapered at both ends | |
| Grobelny et al. | Analysis of pumping efficiency of side coupling method in double-clad fibers doped with rare earth ions | |
| CN115332920A (en) | Semi-open-cavity Raman fiber laser based on refractive index gradient multimode fiber | |
| WO2000041279A1 (en) | A method and apparatus for pumping optical fibers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ KZ KG MD TJ TM RU |
|
| QB4A | Registration of a licence in a contracting state | ||
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): BY |