RU138508U1

RU138508U1 - FIBER LASER

Info

Publication number: RU138508U1
Application number: RU2013152287/28U
Authority: RU
Inventors: Леопольд Исаевич Лобковский; Константин Александрович Рогинский; Лев Романович Мерклин; Антон Юрьевич Плешков; Олег Владиславович Бутов
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-03-20

Abstract

1. Волоконный лазер, содержащий источник накачки и волоконный световод, содержащий активную среду на основе кварцевого стекла, состоящую из сердцевины и оболочки, отражающую брэгговскую решётку, и пропускающую брэгговскую решётку, отличающийся тем, что кварцевое стекло содержит легирующие добавки в составе: оксид алюминия (1-3 мол.%), оксид германия (1-5 мол.%), оксид иттербия (0,1-1 мол.%), а отражающая и пропускающая брэгговские решётки размещены в сердцевине волоконного световода.2. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой световода не превышает 0,01.3. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что содержит дополнительные отражающие брэгговские решётки и дополнительные пропускающие брэгговские решётки.4. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент отражения отражающей брэгговской решётки превышает 99%.5. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что средний коэффициент отражения пропускающей брэгговской решётки составляет 10-30%.6. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что отражающая и пропускающая брэгговские решётки сформированы в волоконном световоде с помощью когерентного излучения эксимерного ArF-лазера с длиной волны генерации 193 нм.1. A fiber laser containing a pump source and a fiber light guide containing an active medium based on quartz glass, consisting of a core and a sheath, reflecting a Bragg grating, and transmitting a Bragg grating, characterized in that the quartz glass contains alloying additives consisting of: aluminum oxide ( 1-3 mol.%), Germanium oxide (1-5 mol.%), Ytterbium oxide (0.1-1 mol.%), And reflecting and transmitting Bragg gratings are located in the core of the fiber. 2. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the difference in refractive indices between the core and the cladding of the fiber does not exceed 0.01.3. The fiber laser according to claim 1, characterized in that it contains additional reflective Bragg gratings and additional transmissive Bragg gratings. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the reflection coefficient of the reflecting Bragg grating exceeds 99% .5. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the average reflection coefficient of the transmitting Bragg grating is 10-30% .6. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the reflecting and transmission Bragg gratings are formed in the fiber using the coherent radiation of an excimer ArF laser with a generation wavelength of 193 nm.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Полезная модель относится к устройствам интегральной оптики, предназначенным для усиления оптических сигналов и лазерной генерации с помощью иттербиевых волоконных световодов, в которых активной средой для получения лазерного эффекта является легированное ионами иттербия кварцевое (силикатное) стекло. Квантовые усилители и лазеры на основе таких световодов являются источниками ИК-излучения в диапазоне длин волн 980÷1150 им и широко применяются в настоящий момент в системах волоконно-оптической связи, медицине и промышленности (для прецизионной обработки поверхностей). Уровень техники.The utility model relates to integrated optics devices designed to amplify optical signals and laser generation using ytterbium fiber optical fibers, in which quartz (silicate) glass doped with ytterbium ions is the active medium for obtaining the laser effect. Quantum amplifiers and lasers based on such optical fibers are sources of infrared radiation in the wavelength range 980–1,150 im and are widely used at present in fiber-optic communication systems, medicine, and industry (for precision surface treatment). The level of technology.

В настоящее время в качестве волоконных иттербиевых лазеров широко известны (патент РФ на изобретение №2302066, опубл. 27.06.2007) схемы, в которой участок иттербиевого световода, выполняющего функцию активной среды, приварен с обеих сторон к участкам фоточувствительного световода с записанными в нем при помощи УФ-излучения, брэгговскими решетками показателя преломления, выполняющими функции зеркал-отражателей. В типичной схеме волоконного иттербиевого лазера одна из брэгговских решеток имеет значение коэффицианта отражения >99.9% и используется в резонаторе в качестве «глухого» зеркала, а другая - выполняет роль выходного зеркала со средним значением коэффициента отражения порядка 10-30%. В качестве материала сердцевины иттербиевого световода обычно используется кварцевое стекло, легированное оксидом иттербия, а также дополнительно небольшой концентрацией оксида алюминия - с целью улучшения растворимости ионов иттербия в сетке стекла. В фоточувствительном световоде материалом сердцевины является германосиликатное стекло с концентрацией оксида германия на уровне 5÷10 мол. %. Для создания брэгговских решеток в фоточувствительном световоде используется, как правило, излучение аргонового лазера с длиной волны 244 нм, либо эксимерного KrF лазера с длиной волны 248 нм. Основным недостатком указанных решений является необходимость стыковки (сварки) световодов с различными волноводными параметрами (такими, как диаметр поля моды и числовая апертура) между собой, что приводит к неизбежным потерям мощности излучения и, соответственно, снижению эффективности работы лазера. Устранить этот недостаток можно путем использования в качестве активной среды легированной ионами иттербия матрицы германосиликатного стекла, либо путем повышения чувствительности к УФ-излучению сердцевины световода, легированной оксидом алюминия. При этом, однако, было установлено, что в матрице германосиликатного стекла, а также нелегированного кварцевого стекла, ионы иттербия имеют очень низкую растворимость и, следовательно, использование его в качестве активной среды не является перспективным. С другой стороны, кварцевое стекло, легированное оксидом алюминия, обладает крайне низкой фоточувствительностью в УФ-диапазоне длин волн и поэтому сформировать в нем брэгговскую решетку с высоким коэффициентом отражения практически невозможно.Currently, fiber ytterbium lasers are widely known (RF patent for invention No. 2302066, published June 27, 2007) of a scheme in which a portion of an ytterbium fiber serving as an active medium is welded on both sides to portions of a photosensitive fiber recorded in it at UV radiation, Bragg gratings of refractive index, acting as reflector mirrors. In a typical ytterbium fiber laser circuit, one of the Bragg gratings has a reflection coefficient> 99.9% and is used as a “dead” mirror in the cavity, while the other acts as an output mirror with an average reflection coefficient of about 10-30%. As the core material of the ytterbium fiber, quartz glass doped with ytterbium oxide, as well as an additionally small concentration of alumina, is usually used to improve the solubility of ytterbium ions in the glass network. In a photosensitive fiber, the core material is germanosilicate glass with a concentration of germanium oxide at a level of 5–10 mol. % To create Bragg gratings in a photosensitive fiber, as a rule, radiation from an argon laser with a wavelength of 244 nm or an excimer KrF laser with a wavelength of 248 nm is used. The main disadvantage of these solutions is the need for joining (welding) of optical fibers with various waveguide parameters (such as mode field diameter and numerical aperture) to each other, which leads to inevitable losses in radiation power and, consequently, a decrease in the laser efficiency. This drawback can be eliminated by using a matrix of germanosilicate glass as the active medium doped with ytterbium ions, or by increasing the sensitivity to UV radiation of the core of the fiber doped with aluminum oxide. In this case, however, it was found that in the matrix of germanosilicate glass, as well as undoped quartz glass, ytterbium ions have very low solubility and, therefore, its use as an active medium is not promising. On the other hand, quartz glass doped with aluminum oxide has an extremely low photosensitivity in the UV wavelength range, and therefore it is practically impossible to form a Bragg grating in it with a high reflection coefficient.

В настоящее время проблема различных волновых параметров активной среды и брэгговских решеток решается, как правило, за счет введения в лазер устройства синхронизации мод (патент на изобретение РФ №2496647, опубл. 27.06.2013 г) или контроллеров поляризации поляризации, изолятор, волоконный разветвитель и сумматор для вывода излучения и оптической накачки (Dirk Mortag et al. "Sub-80-fs pulses from an all-fiber-integrated dissipative-soliton laser at 1 µm" журнал Optics Express, Vol. 19, No. 2, p. 546). Однако, введение в лазер дополнительных устройств приводит к его усложнению и удорожанию, снижает его надежность, а также эффективность благодаря дополнительным затратам энергии.Currently, the problem of various wave parameters of the active medium and Bragg gratings is solved, as a rule, by introducing a mode synchronization device into the laser (RF patent No. 2496647, published on June 27, 2013) or polarization polarization controllers, an insulator, a fiber splitter and adder for radiation output and optical pumping (Dirk Mortag et al. "Sub-80-fs pulses from an all-fiber-integrated dissipative-soliton laser at 1 μm" Optics Express, Vol. 19, No. 2, p. 546 ) However, the introduction of additional devices into the laser leads to its complexity and appreciation, reduces its reliability, as well as efficiency due to additional energy costs.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является волоконный лазер (патент РФ на изобретение №2269849, опубл. 10.02.2006 г), содержащий волоконный световод, имеющий активную среду на основе кварцевого стекла, лазер в качестве источника накачки и первую пару брэгговских решеток, образующих первый резонатор, в котором первая пара брэгговских решеток используется в качестве средства лазерной накачки и что предусмотрена вторая пара брэгговских решеток, образующих второй резонатор и резонирующих на выходной длине волны волоконного лазера, вследствие чего вторая пара брэгговских решеток является отражающей на стоксовых компонентах первого порядка рамановского рассеяния света и пропускающей для компонент вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, так что компоненты вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна покидают второй резонатор без резонанса или генерации когерентного оптического излучения.Closest to the claimed utility model is a fiber laser (RF patent for the invention No. 2269849, publ. 02/10/2006), containing a fiber waveguide having an active medium based on quartz glass, a laser as a pump source and the first pair of Bragg gratings forming the first a resonator in which a first pair of Bragg gratings is used as a laser pump and that a second pair of Bragg gratings is provided that form a second resonator and resonate at the output wavelength of the fiber laser, dstvie which the second pair of Bragg gratings is reflective at first Stokes components of Raman order light and transmissive to stimulated scattering Brillouin component so that the components of stimulated Brillouin scattering leave the second resonator without resonance, or generating coherent optical radiation.

Достоинство ближайшего аналога заключается в повышении мощности волоконного лазера и в обеспечении малой ширины спектральных линий для расширенного диапазона длин волн в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.The advantage of the closest analogue is to increase the power of the fiber laser and to provide a small spectral line width for an extended wavelength range in the visible and near infrared spectral regions.

Недостатком ближайшего аналога, как и предыдущих аналогов, является необходимость стыковки световодов с различными волноводными параметрами между собой, что приводит к неизбежным потерям мощности излучения и, соответственно, снижению эффективности работы лазера.The disadvantage of the closest analogue, as well as of the previous analogues, is the necessity of connecting the optical fibers with different waveguide parameters to each other, which leads to the inevitable loss of radiation power and, consequently, a decrease in the laser efficiency.

Задачей настоящей полезной модели является создание активного волоконного световода, содержащего брэгговские решетки непосредственно в сердцевине световода, без использования стыковки.The objective of this utility model is to create an active fiber waveguide containing Bragg gratings directly in the core of the fiber, without the use of docking.

Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении квантовой эффективности волоконного лазера и повышении надежности его работы.The technical result of this utility model is to increase the quantum efficiency of a fiber laser and increase the reliability of its operation.

Технический результат достигается тем, что в известном волоконном лазере, содержащем источник накачки и волоконный световод, содержащий активную среду на основе кварцевого стекла, состоящую из сердцевины и оболочки, отражающую брэгговскую решетку, и пропускающую брэгговскую решетку, кварцевое стекло содержит легирующие добавки в составе: оксид алюминия (1÷3 мол. %), оксид германия (1÷5 мол. %), оксид иттербия (0.1÷1 мол. %), а отражающая и пропускающая брэгговские решетки размещены в сердцевине волоконного световода.The technical result is achieved by the fact that in the known fiber laser containing a pump source and a fiber waveguide containing an active medium based on quartz glass, consisting of a core and a sheath, reflecting the Bragg grating, and transmitting the Bragg grating, the quartz glass contains dopants in the composition: oxide aluminum (1 ÷ 3 mol.%), germanium oxide (1 ÷ 5 mol.%), ytterbium oxide (0.1 ÷ 1 mol.%), and reflecting and transmitting Bragg gratings are located in the core of the fiber.

Предпочтительно выполнить разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой световода не превышающей 0.01.It is preferable to make the difference in refractive indices between the core and the sheath of the fiber is not exceeding 0.01.

Рекомендуется ввести в волоконный лазер содержит дополнительные отражающие брэгговские решетки и дополнительные пропускающие брэгговские решетки.It is recommended that the fiber laser contains additional reflective Bragg gratings and additional transmissive Bragg gratings.

Рационально выполнить отражающую брэгговскую решетку с показателем отражения свыше 99%.It is rational to perform a reflective Bragg grating with a reflection index of more than 99%.

Целесообразно выполнить пропускающую брэгговскую решетки с показателем преломления 10÷30%.It is advisable to perform transmission Bragg gratings with a refractive index of 10 ÷ 30%.

Преимуществом настоящей полезной модели является повышение квантовой эффективности волоконного лазера и надежности его работы. Формирование отражающей и пропускающей брэгговских решеток в сердцевине волоконного световода повышает квантовую эффективность и надежность лазера за счет снижения внутрирезонаторных потерь на стыковке световода с брэгговскими решетками. Добавление в кварцевое стекло легирующих добавок оксида алюминия (1÷3 мол. %), оксида германия (1÷5 мол. %) и оксида иттербия (0.1÷1 мол. %) позволяет повысить фоточувствительность волоконного световода, что повышает возможность формирования брэгговских решеток в сердцевине волоконного световода и влияет на технический результат.The advantage of this utility model is to increase the quantum efficiency of a fiber laser and its reliability. The formation of reflecting and transmitting Bragg gratings in the core of the fiber increases the laser efficiency and reliability by reducing intracavity losses at the junction of the fiber with the Bragg gratings. The addition of alumina (1 ÷ 3 mol.%), Germanium oxide (1 ÷ 5 mol.%) And ytterbium oxide (0.1 ÷ 1 mol.%) To the quartz glass makes it possible to increase the photosensitivity of the fiber, which increases the possibility of the formation of Bragg gratings in the core of the fiber and affects the technical result.

Волоконный лазер в предпочтительном варианте состоит из источника накачки и волоконного световода, содержащего кварцевое стекло, состоящее из сердцевины и оболочки, сердцевина волновода легирована оксидом германия, оксидом алюминия и оксидом иттербия и содержит отражающую брэгговскую решетку, и пропускающую брэгговскую решетку.A fiber laser preferably consists of a pump source and a fiber waveguide containing quartz glass, consisting of a core and a sheath, the waveguide core is doped with germanium oxide, aluminum oxide and ytterbium oxide and contains a reflective Bragg grating and a transmission Bragg grating.

Волоконный лазер в предпочтительном варианте изготавливается следующим образом. Волоконный световод из кварцевого стекла на этапе синтеза заготовки легируют оксидом алюминия (1÷1 мол. %), оксидом германия (1÷5 мол. %) и оксидом иттербия (0.1÷1 мол. %). Затем для формирования брэгговских решеток, играющих роль зеркал резонатора лазера, непосредственно в сердцевине иттербиевого световода используют когерентное УФ-излучение эксимерного ArF-лазера с длиной волны генерации 193 нм, обеспечивающее эффективную запись брэгговских решеток в стекле сердцевины активного световода. Чувствительность к УФ-излучению обеспечивается предварительным легированием волоконного световода оксидом германия. Этим излучением формируется интерференционная картина в области сердцевины иттербиевого световода при помощи фазовой маски, что обеспечивает наведение фотоиндуцированного показателя преломления в максимумах интерференционной картины и, таким образом, создание брэгговской решетки показателя преломления с заданным периодом и длиной. Полученный таким образом волоконный световод имеет разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой в диапазоне 0.005÷0.010 и при этом является одномодовым в диапазоне длин волн 900÷1150 нм, что позволяет его использовать для изготовления лазерного резонатора на одном куске световода, не прибегая к сварке.A fiber laser is preferably manufactured as follows. The silica glass fiber at the stage of synthesis of the preform is doped with alumina (1 ÷ 1 mol.%), Germanium oxide (1 ÷ 5 mol.%) And ytterbium oxide (0.1 ÷ 1 mol.%). Then, coherent UV radiation of an excimer ArF laser with a generation wavelength of 193 nm is used directly to form the Bragg gratings, which play the role of laser resonator mirrors, directly in the core of the ytterbium fiber, which ensures efficient recording of Bragg gratings in the glass of the core of the active fiber. Sensitivity to UV radiation is provided by preliminary doping of the fiber with germanium oxide. This radiation forms an interference pattern in the core region of the ytterbium fiber using a phase mask, which provides guidance of the photoinduced refractive index at the maxima of the interference pattern and, thus, the creation of a Bragg grating of the refractive index with a given period and length. The optical fiber obtained in this way has a difference in the refractive indices between the core and the cladding in the range of 0.005–0.010 and is single-mode in the wavelength range of 900–1150 nm, which makes it possible to use it for manufacturing a laser resonator on one piece of the optical fiber without resorting to welding.

В качестве источника накачки может быть применен любой известный на данный момент тип источника накачки: диодный, лазерный и т.д.As the pump source, any type of pump source known at the moment can be applied: diode, laser, etc.

Раскрытый в настоящем описании волоконный лазер работает следующим образом. Излучение источника накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, отражаясь от оболочки. Это излучение оптически накачивает сердцевину, в ней происходит эффект усиления спонтанного излучения ионов иттербия. Пропускающая брэгговская решетка выпускает только часть полученного после многократного отражения светового излучения, в то время как отражающая брэгговская решетка не выпускает световой поток, отражая его. Тем самым часть излучения выходит в виде лазерного луча, а другая часть, испытывая переотражение от оболочки и двух брэгговских решеток, компенсирует ушедшее излучение. Система уравновешивается. Таким образом, создается резонатор волоконного лазера. Через пропускающую брэгговскую решетку, играющую роль полупрозрачного зеркала, выходит одномодовый лазерный пучок.The fiber laser disclosed herein is as follows. The radiation from the pump source is introduced into the quartz fiber and propagates along the entire complex composite fiber, reflected from the cladding. This radiation optically pumps the core, and the effect of amplification of spontaneous emission of ytterbium ions occurs in it. A transmitting Bragg grating emits only part of the light radiation obtained after multiple reflection, while a reflecting Bragg grating does not emit light, reflecting it. Thus, part of the radiation comes out in the form of a laser beam, and the other part, experiencing re-reflection from the shell and two Bragg gratings, compensates for the radiation that has left. The system is balanced. Thus, a fiber laser cavity is created. A single-mode laser beam emerges through a transmitting Bragg grating, which plays the role of a translucent mirror.

Выполнение волоконного лазера по настоящей полезной модели позволяет устранить внутрирезонаторные потери на стыковке иттербиевого световод с брэгговскими решетками, что приводит уменьшению внутрирезонаторных потерь как минимум на величину 0.5 дБ и, таким образом, к повышению квантовой эффективности лазера на 10%.The implementation of a fiber laser according to this utility model allows one to eliminate intracavity losses at the junction of an ytterbium fiber with Bragg gratings, which leads to a decrease in intracavity losses by at least 0.5 dB and, thus, to an increase in the quantum efficiency of the laser by 10%.

Claims

1. A fiber laser containing a pump source and a fiber light guide containing an active medium based on quartz glass, consisting of a core and a sheath, reflecting a Bragg grating, and transmitting a Bragg grating, characterized in that the quartz glass contains alloying additives consisting of: aluminum oxide ( 1-3 mol.%), Germanium oxide (1-5 mol.%), Ytterbium oxide (0.1-1 mol.%), And reflecting and transmitting Bragg gratings are located in the core of the fiber.

2. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the difference in refractive index between the core and the cladding of the fiber does not exceed 0.01.

3. The fiber laser according to claim 1, characterized in that it contains additional reflective Bragg gratings and additional transmissive Bragg gratings.

4. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the reflection coefficient of the reflecting Bragg grating exceeds 99%.

5. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the average reflection coefficient of the transmitting Bragg grating is 10-30%.

6. The fiber laser according to claim 1, characterized in that the reflecting and transmitting Bragg gratings are formed in the optical fiber using coherent radiation from an excimer ArF laser with a generation wavelength of 193 nm.