RU206388U1 - Fiber thulium power amplifier for ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm - Google Patents

Fiber thulium power amplifier for ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm Download PDF

Info

Publication number
RU206388U1
RU206388U1 RU2020143738U RU2020143738U RU206388U1 RU 206388 U1 RU206388 U1 RU 206388U1 RU 2020143738 U RU2020143738 U RU 2020143738U RU 2020143738 U RU2020143738 U RU 2020143738U RU 206388 U1 RU206388 U1 RU 206388U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
wavelength
radiation
duration
thulium
Prior art date
Application number
RU2020143738U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Василий Сергеевич Воропаев
Даниил Тимофеевич Батов
Дмитрий Сергеевич Власов
Андрей Иванович Воронец
Александр Игоревич Донодин
Валерий Ефимович Карасик
Владимир Алексеевич Лазарев
Михаил Константинович Тарабрин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority to RU2020143738U priority Critical patent/RU206388U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU206388U1 publication Critical patent/RU206388U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • H01S3/06754Fibre amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • H01S3/06795Fibre lasers with superfluorescent emission, e.g. amplified spontaneous emission sources for fibre laser gyrometers

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерным системам, генерирующим оптическое излучение на длине волны 1,9 мкм в виде ультракоротких импульсов с пиковой мощностью до 250 кВт и регулируемой длительностью в диапазоне от десятков фемтосекунд до единиц пикосекунд. Лазерные системы подобного типа могут использоваться для: создания широкополосного лазерного излучения (суперконтинуума) в среднем ИК-диапазоне, научных применений, прецизионной обработки материалов, хирургии, детекторов газа. Технический результат заключается в получении импульсов с регулируемой длительностью в диапазоне от десятков фемтосекунд до единиц пикосекунд с пиковой мощностью до 250 кВт на длине волны 1900 нм. Указанный технический результат достигается тем, что тулиевый полностью волоконный усилитель мощности задающего генератора содержит тулиевый полностью волоконный задающий генератор с синхронизацией мод, соединенный с волоконно-оптическим изолятором, который соединен с волоконно-оптическим ответвителем оптического излучения, который соединен с германосиликатным световодом с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм, выход которого соединен с контроллером поляризации оптического излучения, соединенным в свою очередь с сигнальным входом, работающим на длине волны 1,9 мкм, спектрально-селективного волоконного мультиплексора, вход накачки которого, работающий на длине волны 1,55 мкм, соединен с волоконно-оптическим изолятором, который соединен с лазерным источником непрерывного излучения на длине волны 1,55 мкм. Выход спектрально-селективного волоконного мультиплексора, содержащий излучение на длинах волн 1,55 и 1,9 мкм, соединен с активным германосиликатным волоконным световодом, легированным ионами тулия, с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм. Другой конец активного волоконного световода соединен с волоконным световодом с увеличенным диаметром поля моды с аномальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм для компрессии импульсов. Волоконный световод с увеличенным диаметром поля моды позволяет сжать импульс во временной области до длительностей менее 100 фс с пиковой мощностью до 250 кВт. Все волоконно-оптические компоненты имеют входы и выходы, сделанные из кварцевого одномодового световода, отвечающего стандарту ITU-TG652. D. В качестве настраиваемого элемента длительности ультракоротких импульсов используется контроллер поляризации излучения, который позволяет варьировать длительность в пределах от десятков фемтосекунд до единиц пикосекунд. Благодаря полностью волоконной конструкции устройство обладает компактностью. 2 ил.The utility model relates to laser technology, in particular to fiber laser systems that generate optical radiation at a wavelength of 1.9 μm in the form of ultrashort pulses with a peak power of up to 250 kW and an adjustable duration in the range from tens of femtoseconds to a few picoseconds. Laser systems of this type can be used for: creating broadband laser radiation (supercontinuum) in the mid-IR range, scientific applications, precision material processing, surgery, gas detectors. The technical result consists in obtaining pulses with an adjustable duration in the range from tens of femtoseconds to a few picoseconds with a peak power of up to 250 kW at a wavelength of 1900 nm. The specified technical result is achieved by the fact that the thulium all-fiber master oscillator power amplifier contains a mode-locked thulium all-fiber master oscillator connected to a fiber-optic isolator connected to a fiber-optic coupler of optical radiation, which is connected to a germanosilicate fiber with normal group dispersion. velocities at a wavelength of 1.9 μm, the output of which is connected to an optical radiation polarization controller connected in turn to a signal input operating at a wavelength of 1.9 μm, a spectrally selective fiber multiplexer, the pump input of which, operating at a wavelength of 1 , 55 μm, is connected to a fiber optic isolator, which is connected to a continuous laser source at a wavelength of 1.55 μm. The output of a spectrally selective fiber multiplexer containing radiation at wavelengths of 1.55 and 1.9 μm is connected to an active germanosilicate fiber doped with thulium ions with normal group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm. The other end of the active fiber is connected to a fiber with an increased field diameter of the mode with anomalous group-velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm for pulse compression. A fiber with an increased mode field diameter makes it possible to compress a pulse in the time domain to a duration of less than 100 fs with a peak power of up to 250 kW. All fiber optic components have inputs and outputs made of quartz single-mode fiber that meets the ITU-TG652 standard. D. As a tunable element of the duration of ultrashort pulses, a radiation polarization controller is used, which allows you to vary the duration from tens of femtoseconds to a few picoseconds. Thanks to its all-fiber construction, the device is compact. 2 ill.

Description

Область техникиTechnology area

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к волоконным лазерным системам, генерирующим оптическое излучение на длине волны 1,9 мкм в виде ультракоротких импульсов с пиковой мощностью до 250 кВт и регулируемой длительностью в диапазоне от десятков фемтосекунд до единиц пикосекунд. Лазеры подобного типа могут использоваться для: создания лазерного широкополосного излучения (суперконтинуума) в среднем ИК-диапазоне, научных применений, прецизионной обработки материалов, хирургии, детекторов газа. Суперконтинуум в среднем ИК-диапазоне может быть использован для: прецизионной спектроскопии, диагностики заболеваний человека, обнаружения взрывчатых веществ в воздухе, оптической когерентной томографии.The utility model relates to laser technology, in particular to fiber laser systems that generate optical radiation at a wavelength of 1.9 μm in the form of ultrashort pulses with a peak power of up to 250 kW and an adjustable duration in the range from tens of femtoseconds to a few picoseconds. Lasers of this type can be used for: creating broadband laser radiation (supercontinuum) in the mid-IR range, scientific applications, precision material processing, surgery, gas detectors. The supercontinuum in the mid-IR range can be used for: precision spectroscopy, diagnostics of human diseases, detection of explosives in the air, optical coherence tomography.

Уровень техникиState of the art

Известно множество устройств, предназначенных для получения излучения с помощью тулиевых волоконных источников (патент US 20130188660 A1, опубл. 25.07.2013; патент ЕР 2521505 В1, опубл. 06.09.2017; патент CN 105337146 A, опубл. 17.02.2016; патент CN 105406329 A, опубл. 16.03.2016; патент CN 205231454 U, опубл. 11.05.2016; патент CN 110429459 A, опубл. 08.11.2019; патент РФ на изобретение №2682628 С1, опубл. 19.03.2019; патент РФ на изобретение №2693542 С1, опубл. 03.07.2019; патент РФ на изобретение №2690864 С2, опубл. 06.06.2019).A lot of devices are known for obtaining radiation using thulium fiber sources (patent US 20130188660 A1, publ. 07.25.2013; patent EP 2521505 B1, publ. 06.09.2017; patent CN 105337146 A, publ. 17.02.2016; patent CN 105406329 A, publ. 03/16/2016; patent CN 205231454 U, publ. 05/11/2016; patent CN 110429459 A, publ. 11/08/2019; RF patent for invention No. 2682628 C1, publ. 03/19/2019; RF patent for invention No. 2693542 C1, publ. 03.07.2019; RF patent for invention No. 2690864 C2, publ. 06.06.2019).

Например, известен полностью волоконный фемтосекундный лазер с усилителем в виде тулиевого активного волоконного световода (патент США US 8792158 В2, опубл. 29.07.2014). Усиление в данном патенте реализуется в активном волоконном световоде, легированном ионами тулия, с аномальной дисперсией групповых скоростей, что требует использование более длинной ветви для растягивания импульсов по сравнению с активными волокнами с нормальной дисперсией групповых скоростей, что усложняет конструкцию.For example, an all-fiber femtosecond laser with an amplifier in the form of a thulium active optical fiber is known (US patent US 8792158 B2, published on July 29, 2014). The amplification in this patent is implemented in an active fiber doped with thulium ions with anomalous group velocity dispersion, which requires the use of a longer branch for stretching pulses compared to active fibers with normal group velocity dispersion, which complicates the design.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства можно признать усилитель ультракоротких импульсов, описанный в работе: Chen Y. et al. «High Energy Ultrafast Laser at 2 μm Using Dispersion Engineered Thulium-Doped Fiber» // IEEE Photonics Journal. - 2019. - T. 11. - №. 6. - C. 1-12. В схеме прототипа полностью волоконный усилитель состоит из задающего генератора с пассивной синхронизацией мод, выход которого соединен с изолятором оптического излучения, который соединен со спектрально-селективным мультиплексором оптического излучения. Высокомощная эрбиевая накачка соединена с другим входом спектрально-селективного мультиплексора, соединенным, в свою очередь, с тулиевым волоконным световодом с нормальной дисперсией.The closest analogue (prototype) of the proposed device can be recognized as an amplifier of ultrashort pulses, described in the work: Chen Y. et al. "High Energy Ultrafast Laser at 2 μm Using Dispersion Engineered Thulium-Doped Fiber" // IEEE Photonics Journal. - 2019. - T. 11. - No. 6. - C. 1-12. In the prototype circuit, the all-fiber amplifier consists of a passively mode-locked master oscillator, the output of which is connected to an optical radiation isolator, which is connected to a spectrally selective optical radiation multiplexer. High-power erbium pumping is connected to the other input of the spectral-selective multiplexer, which, in turn, is connected to a thulium fiber with normal dispersion.

Однако из-за отсутствия компрессора в прототипе, длительность импульсов составляет 1,98 пс, что существенно больше значения, осуществляемого в данной полезной модели.However, due to the absence of a compressor in the prototype, the pulse duration is 1.98 ps, which is significantly greater than the value used in this utility model.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of a utility model

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в получении ультракоротких импульсов с регулируемой длительностью в диапазоне от десятков фемтосекунд до единиц пикосекунд с максимальной пиковой мощностью до 250 кВт с использованием полностью волоконной схемы.The technical result to be achieved by the proposed utility model consists in obtaining ultrashort pulses with adjustable duration in the range from tens of femtoseconds to units of picoseconds with a maximum peak power of up to 250 kW using an all-fiber circuit.

Указанный технический результат достигается тем, что излучение ультракоротких импульсов на длине волны 1,9 мкм из полностью волоконного лазера с синхронизацией мод проходит через волоконно-оптический изолятор, который используется для предотвращения попадания обратного излучения в лазер, далее излучение проходит через волоконно-оптический ответвитель, с помощью которого от 1 до 5 процентов излучения выводится на приемник излучения для контроля режима генерации, остальная часть излучения проходит через германосиликатный волоконный световод с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм для растяжения во времени импульсов перед процессом усиления, далее излучение проходит через контроллер поляризации, с помощью которого осуществляется настройка поляризации излучения, попадающего в усилитель, далее излучение попадает во вход волоконного спектрально-селективного мультиплексора, работающий на длине волны 1,9 мкм, непрерывное излучение от лазерного источника накачки на длине волны 1,55 мкм проходит через второй вход волоконного спектрально-селективного мультиплексора, работающий на длине волны 1,55 мкм, таким образом на выходе волоконного спектрально-селективного мультиплексора распространяется непрерывное излучение накачки на длине волны 1,55 мкм вместе с ультракороткими импульсами на длине волны 1,9 мкм, выход волоконного спектрально-селективного мультиплексора соединен с активным тулиевым световодом с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм, в котором происходит усиление ультракоротких импульсов и одновременное увеличение их длительности, далее излучение поступает в волоконный световод с увеличенным диаметром поля моды и аномальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм для компрессии импульсов до минимальных длительностей и достижения максимальных значений пиковой мощности.The specified technical result is achieved by the fact that the radiation of ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm from an all-fiber laser with mode locking passes through a fiber-optic isolator, which is used to prevent the return of radiation from entering the laser, then the radiation passes through a fiber-optic coupler, with the help of which from 1 to 5 percent of the radiation is output to the radiation receiver to control the generation mode, the rest of the radiation passes through a germanosilicate fiber with normal group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm for time stretching of the pulses before the amplification process, then the radiation passes through the polarization controller, with the help of which the polarization of the radiation entering the amplifier is adjusted, then the radiation enters the input of the fiber spectral selective multiplexer operating at a wavelength of 1.9 μm, continuous radiation from the laser pump source for not a wave of 1.55 μm passes through the second input of the fiber spectrum-selective multiplexer, operating at a wavelength of 1.55 μm, thus, at the output of the fiber spectral-selective multiplexer, continuous pump radiation at a wavelength of 1.55 μm is propagated along with ultrashort pulses to wavelength of 1.9 μm, the output of the fiber spectral-selective multiplexer is connected to an active thulium fiber with normal group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm, in which ultrashort pulses are amplified and simultaneously increased in duration, then the radiation enters the fiber with increased mode field diameter and anomalous group-velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm for pulse compression to minimum durations and maximum peak power values.

Все волоконно-оптические компоненты имеют входы и выходы, сделанные из кварцевого одномодового световода отвечающего стандарту ITU-TG652.D.All fiber optic components have inputs and outputs made of quartz single mode fiber that meets the ITU-TG652.D standard.

В качестве настраиваемого элемента длительности ультракоротких импульсов используется контроллер поляризации излучения. Настройка поляризации излучения перед процессом усиления позволяет варьировать длительность в пределах от десятков фемтосекунд до единиц пикосекунд.A radiation polarization controller is used as a tunable element of the duration of ultrashort pulses. Adjusting the polarization of the radiation before the amplification process makes it possible to vary the duration in the range from tens of femtoseconds to a few picoseconds.

Благодаря полностью волоконной конструкции устройство обладает компактностью и конструктивно расположено в едином корпусе.Thanks to the all-fiber construction, the device is compact and structurally located in a single housing.

Перечень рисунковList of figures

На рис. 1 изображена структура последовательной цепи элементов предлагаемого тулиевого полностью волоконного задающего генератора ультракоротких импульсов.In fig. 1 shows the structure of a series circuit of elements of the proposed thulium all-fiber master oscillator of ultrashort pulses.

На рис. 2 изображена структура последовательной цепи элементов предлагаемого тулиевого полностью волоконного усилителя мощности задающего генератора ультракоротких импульсов.In fig. 2 shows the structure of the series circuit of the elements of the proposed thulium all-fiber power amplifier of the master oscillator of ultrashort pulses.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

На рис. 1 изображены: 1 - лазерный источник непрерывного излучения на длине волны 1,55 мкм с максимальной мощностью 3 Вт; 2 - спектрально-селективный волоконный мультиплексор оптического излучения (1,55/1,9); 3 - активный волоконный световод, легированный ионами тулия, с аномальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм; 4 - германосиликатный волоконный световод с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм; 5 - контроллер поляризации оптического излучения; 6 - волоконно-оптический изолятор-поляризатор оптического излучения; 7 - волоконно-оптический ответвитель оптического излучения; 8 - выходной разъем лазера со скошенным торцем волокна под углом 8-9 градусов к оптической оси для минимизации обратных отражений; 9 - одностенные углеродные нанотрубки, расположенные в оптической розетке между двумя разъемами FC/APC.In fig. 1 shows: 1 - laser source of continuous radiation at a wavelength of 1.55 μm with a maximum power of 3 W; 2 - spectral-selective fiber optical radiation multiplexer (1.55 / 1.9); 3 - an active optical fiber doped with thulium ions with anomalous group-velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm; 4 - germanosilicate fiber with normal group-velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm; 5 - controller for polarization of optical radiation; 6 - fiber optic isolator-polarizer of optical radiation; 7 - fiber optic coupler of optical radiation; 8 - laser output connector with a beveled fiber end face at an angle of 8-9 degrees to the optical axis to minimize back reflections; 9 - single-walled carbon nanotubes located in an optical socket between two FC / APC connectors.

На рис. 2 изображены: 10 - тулиевый полностью волоконный задающий генератор ультракоротких импульсов на длине волны 1,9 мкм; 11 - волоконно-оптический изолятор на длине волны 1,9 мкм; 12 - волоконно-оптический ответвитель; 13 - контрольный выход лазера; 4 - германосиликатный волоконный световод с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм; 5 - контроллер поляризации оптического излучения; 14 - лазерный источник непрерывного излучения на длине волны 1,55 мкм с максимальной мощностью 6 Вт; 15 - волоконно-оптический изолятор на длине волны 1,55 мкм; 2 - спектрально-селективный волоконный мультиплексор оптического излучения (1,55/1,9); 16 - активный волоконный световод, легированный ионами тулия, с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм; 17 - волоконный световод с увеличенным диаметром поля моды и аномальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм; 18 - выходной волоконный разъем усилителя со скошенным торцем волокна под углом 8-9 граудсов к оптической оси для минимизации обратных отражений. Предлагаемое устройство работает следующим образом.In fig. 2 shows: 10 - thulium all-fiber master generator of ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm; 11 - fiber optic isolator at a wavelength of 1.9 microns; 12 - fiber optic coupler; 13 - control output of the laser; 4 - germanosilicate fiber with normal group-velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm; 5 - controller for polarization of optical radiation; 14 - laser source of continuous radiation at a wavelength of 1.55 μm with a maximum power of 6 W; 15 - fiber optic isolator at a wavelength of 1.55 microns; 2 - spectral-selective fiber optical radiation multiplexer (1.55 / 1.9); 16 - active optical fiber doped with thulium ions, with normal group-velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm; 17 - optical fiber with an increased diameter of the mode field and anomalous dispersion of group velocities at a wavelength of 1.9 μm; 18 - amplifier fiber output connector with beveled fiber end at an angle of 8-9 degrees to the optical axis to minimize back reflections. The proposed device works as follows.

В качестве задающего генератора ультракоротких импульсов используется полностью волоконный тулиевый лазер ультракоротких импульсов с гибридной синхронизацией мод с длительностью импульсов 330 фс с частотой повторения 24 МГц на длине волны 1,9 мкм, схема которого представлена на рисунке 1. Накачка осуществляется с помощью лазерного источника непрерывного излучения (1, рис. 1) на длине волны 1,55 мкм с максимальной мощностью 3 Вт. Излучение накачки вводится в резонатор с помощью спектрально-селективного волоконного мультиплексора оптического излучения (2, рис. 1) и попадает в активный алюмосиликатный световод (3, рис. 1), легированный ионами тулия, (0,8% (масс.) Tm, 3.6% (масс.) Al) со ступенчатым профилем показателя преломления (разность показателей преломления сердцевины и оболочки составляет 0,012) с диаметром сердцевины 10 мкм диаметром оболочки 125 мкм дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм - 70,56 пс2/км длиной 1,25 м, 98% излучения накачки поглощается в активном световоде. С другой стороны, активного световода располагается германосиликатный световод (4, рис. 1) с содержанием оксида германия в сердцевине ~ 30 мол. % диаметром сердцевины 2,2 мкм разницей показателей преломления 0,0324 дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм равной 108 пс2/км длиной 3,22 м для регулировки дисперсии групповой задержки резонатора лазера. Из резонатора выводится 81% излучения с помощью волоконно-оптического сплавного ответвителя (7, рис. 1). Для однонаправленной генерации используется изолятор-поляризатор (6, рис. 1), который также является важным компонентом метода синхронизации мод, основанного на нелинейной эволюции поляризации. В качестве медленного насыщающегося поглотителя для самозапуска режима синхронизации мод используются одностенные углеродные нанотрубки, расположенные в оптической розетке между двумя разъемами FC/APC (9, рис. 1). Для настройки режима синхронизации мод используются контроллеры поляризации 5. Все волоконно-оптические компоненты имеют входы и выходы, сделанные из кварцевого одномодового световода отвечающего стандарту ITU-TG652.D, суммарная длина данного типа световода в резонаторе составляет 4,02 м.An all-fiber ultrashort pulse thulium laser with hybrid mode locking with a pulse duration of 330 fs and a repetition rate of 24 MHz at a wavelength of 1.9 μm is used as a master oscillator of ultrashort pulses. (1, Fig. 1) at a wavelength of 1.55 µm with a maximum power of 3 W. Pump radiation is injected into the cavity using a spectrally selective fiber optical radiation multiplexer (2, Fig. 1) and enters an active aluminosilicate fiber (3, Fig. 1) doped with thulium ions, (0.8 wt% Tm, 3.6% (mass) Al) with a stepped refractive index profile (the difference between the refractive indices of the core and the cladding is 0.012) with a core diameter of 10 μm, a cladding diameter of 125 μm, group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm - 70.56 ps 2 / km length 1.25 m, 98% of the pump radiation is absorbed in the active fiber. On the other hand, the active fiber contains a germanosilicate fiber (4, Fig. 1) with a germanium oxide content in the core of ~ 30 mol. % with a core diameter of 2.2 µm with a refractive index difference of 0.0324 with the group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 µm equal to 108 ps 2 / km and a length of 3.22 m to adjust the group delay dispersion of the laser resonator. 81% of the radiation is extracted from the cavity using a fiber-optic alloy coupler (7, Fig. 1). For unidirectional lasing, an insulator-polarizer is used (6, Fig. 1), which is also an important component of the mode locking method based on nonlinear polarization evolution. Single-wall carbon nanotubes located in an optical socket between two FC / APC connectors (9, Fig. 1) are used as a slow saturable absorber for self-triggering of mode locking. Polarization controllers 5 are used to adjust the mode synchronization mode. All fiber-optic components have inputs and outputs made of a quartz single-mode fiber that meets the ITU-TG652.D standard, the total length of this type of fiber in the cavity is 4.02 m.

При мощности накачки 800 мВт мощность излучения задающего генератора на выходе волоконного разъема (8, рис. 1) в режиме синхронизации мод составляет 8 мВт. Ширина спектральной плотности мощности на половине высоты составляет 22 нм, длительность импульсов на половине высоты составляет 330 фс. Отношение сигнал/шум составляет 60 дБ. Лазер работает в режиме генерации растянутых импульсов.At a pump power of 800 mW, the radiation power of the master oscillator at the output of the fiber connector (8, Fig. 1) in the mode locking mode is 8 mW. The power spectral density at half maximum is 22 nm, the pulse duration at half maximum is 330 fs. The signal-to-noise ratio is 60 dB. The laser operates in the extended pulse generation mode.

Мощность излучения задающего генератора увеличивается в полностью волоконном усилителе, схема которого показана на рисунке 2. На выходе лазера (10, рис. 2) расположен волоконно-оптический изолятор (11, рис. 2), который используется для предотвращения попадания обратного излучения в лазер. После изолятора расположен волоконно-оптический ответвитель (12, рис. 2), который отводит часть излучения (1-5%) на приемник с помощью выхода (13, рис. 2) для контроля режимы работы лазера, т.к. при внешних воздействиях лазер может перейти в режим генерации непрерывного излучения или режим модуляции добротности. Оставшаяся часть излучения (90-95%, в ответвителе так же есть потери несколько процентов) проходит через германосиликатный волоконный световод (4, рис. 2), который был описан выше и используется в лазере, с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм для увеличения длительности ультракоротких импульсов. Растяжение импульса необходимо для предотвращения нелинейного распада импульса во время усиления. Длина германосиликатного световода составляет 3,085 м. Суммарная длина волоконных световодов оптических компонентов до германосиликатного составляет 2,015 м. Далее излучение распространяется в волоконном световоде длиной 0,756 м, который является входом, работающим на длине волны 1,9 мкм, в спектрально-селективный мультиплексор (2, рис. 2), данный световод установлен в механический контроллер поляризации (5, рис. 2), который работает за счет изменения двулучепреломления в световоде путем его сдавливания и скручивания. В другой вход спектрально-селективного мультиплексора, работающий на длине волны 1,55 мкм, поступает непрерывное излучение накачки из лазерного источника на длине волны 1,55 мкм (14, рис. 2), защищенного от обратного излучения с помощью изолятора (15, рис. 2). Спектрально-селективный мультиплексор объединяет непрерывное излучение накачки и излучение ультракоротких импульсов и направляет его в активных световод (16, рис. 2). Для усиления используется активный германосиликатный световод, легированный ионами тулия (0,9 мол. % Tm3+, 36 мол. % GeO2), со ступенчатым профилем показателем преломления с разницей между показателями преломления сердцевины и оболочки 0,045, диаметр сердцевины которого составляет 2,2 мкм, диаметр оболочки - 125 мкм. Дисперсия групповых скоростей активного световода на длине волны 1,9 мкм составляет 130,55 пс2/км. Длина активного световода составляет 2,123 м. В активном световоде поглощается ~ 98% излучения накачки. Ультракороткие импульсы, проходя через активный световод, усиливаются и растягиваются во времени. Далее для компрессии импульсов излучение попадает в кварцевый световод с увеличенным диаметром поля моды (17, рис. 2) со ступенчатым профилем показателя преломления с разницей между показателями преломления сердцевины и оболочки 0,112 длиной 2,366 м, диаметр сердцевины которого равен 20 мкм, диаметр оболочки - 125 мкм, дисперсия групповых скоростей данного световода является аномальной на длине волны 1,9 мкм и близкой к значению кварцевого стекла. Увеличенный диаметр поля моды позволяет повысить пиковую мощность импульса по сравнению со стандартными телекоммуникационными световодами. Все волоконно-оптические компоненты имеют входы и выходы, сделанные из кварцевого одномодового световода отвечающего стандарту ITU-TG652.D.The radiation power of the master oscillator is increased in an all-fiber amplifier, the schematic of which is shown in Fig. 2. At the output of the laser (10, Fig. 2), there is a fiber-optic isolator (11, Fig. 2), which is used to prevent the return of radiation from entering the laser. After the insulator, there is a fiber-optic coupler (12, Fig. 2), which diverts a part of the radiation (1-5%) to the receiver using the output (13, Fig. 2) to control the laser operating modes, since under external influences, the laser can switch to the mode of generation of continuous radiation or the mode of Q-switching. The rest of the radiation (90-95%, there is also a few percent losses in the coupler) passes through a germanosilicate fiber (4, Fig. 2), which was described above and is used in a laser with normal group-velocity dispersion at a wavelength of 1, 9 microns to increase the duration of ultrashort pulses. Pulse stretching is necessary to prevent nonlinear pulse decay during amplification. The length of the germanosilicate fiber is 3.085 m.The total length of the optical fibers of the optical components up to the germanosilicate is 2.015 m.Further, the radiation propagates in the 0.756 m long fiber, which is an input operating at a wavelength of 1.9 μm, into the spectral selective multiplexer (2, Fig. 2), this fiber is installed in a mechanical polarization controller (5, Fig. 2), which works by changing the birefringence in the fiber by squeezing and twisting it. The other input of the spectral-selective multiplexer, operating at a wavelength of 1.55 μm, receives continuous pump radiation from a laser source at a wavelength of 1.55 μm (14, Fig. 2), protected from backward radiation using an insulator (15, Fig. . 2). A spectral selective multiplexer combines continuous pump radiation and ultrashort pulse radiation and directs it into an active fiber (16, Fig. 2). To enhance the used active germanosilicate fiber doped with thulium (0.9 mol.% Tm 3+, 36 mol.% GeO 2), with a stepped profile with a refractive index difference between core and cladding indices of refraction of 0.045, the core diameter of which is 2, 2 microns, shell diameter - 125 microns. The dispersion of the group velocities of the active fiber at a wavelength of 1.9 μm is 130.55 ps 2 / km. The active fiber length is 2.123 m. The active fiber absorbs ~ 98% of the pump radiation. Ultrashort pulses, passing through an active fiber, are amplified and stretched in time. Then, to compress the pulses, the radiation enters a silica fiber with an increased mode field diameter (17, Fig. 2) with a stepped refractive index profile with a difference between the refractive indices of the core and the cladding 0.112, length 2.366 m, the core diameter of which is 20 μm, the cladding diameter is 125 μm, the dispersion of the group velocities of this fiber is anomalous at a wavelength of 1.9 μm and close to the value of silica glass. The increased mode field diameter makes it possible to increase the peak pulse power compared to standard telecommunication fibers. All fiber optic components have inputs and outputs made of quartz single mode fiber that meets the ITU-TG652.D standard.

Рабочий режим лазерной системы достигается при мощности излучения накачки лазерного источника (14, рис. 2) равной 4 Вт, при этом на выходе усилителя (18, рис. 2), который выполнен в виде углового коннектора FC/APC, мощность излучения равна 600 мВт. В процессе распространения импульса во всех элементах усилителя импульс приобретает нелинейный набег фазы, который приводит к тому, что на выходе усилителя импульс превращается в группу импульсов, внутри которой находится импульс, содержащий 60% энергии, и группа из нескольких импульсов с остальной энергией, при этом суммарная энергия импульсов составляет 25 нДж, а энергия, содержащаяся в основном импульсе, составляет 15 нДж. Процесс усиления и компрессии сильно зависит от поляризации излучения, это связано с зависимостью нелинейного коэффициента световодов от состояния поляризации излучения. Таким образом, настраивая поляризацию, удается изменять длительность импульсов на выходе усилителя в диапазоне от 60 до 1270 фс. При этом пиковая мощность достигает значения 250 кВт при длительности импульсов 60 фс.The operating mode of the laser system is achieved when the pump radiation power of the laser source (14, Fig. 2) is equal to 4 W, while at the output of the amplifier (18, Fig. 2), which is made in the form of an angled FC / APC connector, the radiation power is 600 mW ... In the process of pulse propagation in all elements of the amplifier, the pulse acquires a nonlinear phase incursion, which leads to the fact that at the amplifier output the pulse turns into a group of pulses, inside which there is a pulse containing 60% of the energy, and a group of several pulses with the rest of the energy, while the total pulse energy is 25 nJ, and the energy contained in the main pulse is 15 nJ. The amplification and compression process strongly depends on the polarization of the radiation; this is due to the dependence of the nonlinear coefficient of optical fibers on the state of polarization of the radiation. Thus, by adjusting the polarization, it is possible to change the duration of the pulses at the amplifier output in the range from 60 to 1270 fs. In this case, the peak power reaches 250 kW at a pulse duration of 60 fs.

Лазеры подобного типа могут использоваться для: создания лазерного широкополосного излучения (суперконтинуума) в среднем ИК-диапазоне, научных применений, прецизионной обработки материалов, хирургии, детекторов газа. Суперконтинуум в среднем ИК-диапазоне может быть использован для: прецизионной спектроскопии, диагностики заболеваний человека, обнаружения взрывчатых веществ в воздухе, оптической когерентной томографии.Lasers of this type can be used for: creating broadband laser radiation (supercontinuum) in the mid-IR range, scientific applications, precision material processing, surgery, gas detectors. The supercontinuum in the mid-IR range can be used for: precision spectroscopy, diagnostics of human diseases, detection of explosives in the air, optical coherence tomography.

Claims (1)

Тулиевый полностью волоконный усилитель мощности задающего генератора ультракоротких импульсов, отличающийся наличием в своем составе волоконного компрессора с увеличенным диаметром поля моды, позволяющим снизить длительность импульсов до десятков фемтосекунд и увеличить пиковую мощность до 250 кВт; содержащий тулиевый полностью волоконный задающий генератор с синхронизацией мод, соединенный с волоконно-оптическим изолятором, который соединен с волоконно-оптическим ответвителем оптического излучения, который соединен с германосиликатным световодом с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм, выход которого соединен с контроллером поляризации оптического излучения, соединенным в свою очередь с сигнальным входом, работающим на длине волны 1,9 мкм, спектрально-селективного волоконного мультиплексора, вход накачки которого, работающий на длине волны 1,55 мкм, соединен с волоконно-оптическим изолятором, который соединен с лазерным источником непрерывного излучения на длине волны 1,55 мкм; выход спектрально-селективного волоконного мультиплексора, содержащий излучение на длинах волн 1,55 и 1,9 мкм, соединен с активным германосиликатным волоконным световодом, легированным ионами тулия, с нормальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм; другой конец активного волоконного световода соединен с волоконным световодом с увеличенным диаметром поля моды с аномальной дисперсией групповых скоростей на длине волны 1,9 мкм для компрессии импульсов; в качестве настраиваемого элемента длительности ультракоротких импульсов использован контроллер поляризации излучения, позволяющий варьировать длительность в пределах от десятков фемтосекунд до единиц пикосекунд.Thulium all-fiber power amplifier of an ultrashort pulse master oscillator, characterized by the presence of a fiber compressor with an increased mode field diameter, which makes it possible to reduce the pulse duration to tens of femtoseconds and increase the peak power to 250 kW; containing thulium all-fiber mode-locked master oscillator connected to a fiber optic isolator connected to a fiber optic coupler connected to a germanosilicate fiber with normal group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm, the output of which is connected to the controller polarization of optical radiation, connected in turn with the signal input operating at a wavelength of 1.9 μm, a spectrally selective fiber multiplexer, the pumping input of which, operating at a wavelength of 1.55 μm, is connected to a fiber-optic isolator, which is connected to laser source of continuous radiation at a wavelength of 1.55 microns; the output of the spectrally selective fiber multiplexer containing radiation at wavelengths of 1.55 and 1.9 μm is connected to an active germanosilicate fiber doped with thulium ions with normal group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm; the other end of the active fiber is connected to a fiber with an increased field diameter of a mode with anomalous group velocity dispersion at a wavelength of 1.9 μm for pulse compression; As a tunable element of the duration of ultrashort pulses, a radiation polarization controller is used, which makes it possible to vary the duration in the range from tens of femtoseconds to a few picoseconds.
RU2020143738U 2020-12-29 2020-12-29 Fiber thulium power amplifier for ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm RU206388U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143738U RU206388U1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Fiber thulium power amplifier for ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143738U RU206388U1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Fiber thulium power amplifier for ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU206388U1 true RU206388U1 (en) 2021-09-08

Family

ID=77663429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020143738U RU206388U1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Fiber thulium power amplifier for ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU206388U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785205C1 (en) * 2022-02-11 2022-12-05 "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) Optical pulse generator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6724972B2 (en) * 2001-12-31 2004-04-20 3M Innovative Properties Company Silicate waveguide compositions for extended L-band and S-band amplification
EP1488482A4 (en) * 2002-03-08 2005-11-23 Lightwave Electronics Amplifiers and light sources employing s-band erbium-doped fiber and l-band thulium-doped fiber with distributed suppression of amplified spontaneous emission (ase)
RU2547343C1 (en) * 2013-12-06 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" (ООО "Техноскан-Лаб") Pulse fibre laser with variable configuration of ring resonator supporting radiation polarisation
RU2566385C1 (en) * 2014-07-15 2015-10-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Waveguide source of unidirectional single-frequency polarised laser radiation with passive frequency scanning (versions)
RU2690864C2 (en) * 2014-12-15 2019-06-06 Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн Fibred circular generator with passive mode synchronization

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6724972B2 (en) * 2001-12-31 2004-04-20 3M Innovative Properties Company Silicate waveguide compositions for extended L-band and S-band amplification
EP1488482A4 (en) * 2002-03-08 2005-11-23 Lightwave Electronics Amplifiers and light sources employing s-band erbium-doped fiber and l-band thulium-doped fiber with distributed suppression of amplified spontaneous emission (ase)
RU2547343C1 (en) * 2013-12-06 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" (ООО "Техноскан-Лаб") Pulse fibre laser with variable configuration of ring resonator supporting radiation polarisation
RU2566385C1 (en) * 2014-07-15 2015-10-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Waveguide source of unidirectional single-frequency polarised laser radiation with passive frequency scanning (versions)
RU2690864C2 (en) * 2014-12-15 2019-06-06 Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн Fibred circular generator with passive mode synchronization

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785205C1 (en) * 2022-02-11 2022-12-05 "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) Optical pulse generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110829164B (en) All-fiber ultrashort pulse light source capable of simultaneously generating soliton and noise-like pulses
CN108321671A (en) A kind of passive mode-locking fiber laser based on graded index multimode fiber saturable absorber
CN111509537B (en) All-fiber ultrashort pulse mode-locked laser generation method and laser
CN104409952A (en) Double-cladding thulium-doped all-fiber ultrafast laser based on nonlinear polarization rotation mode locking
CN112217089B (en) Tunable soliton frequency comb generating device based on surface rare earth ion doped microcavity
CN208001073U (en) A kind of laser of all optical fibre structure tunable wave length
CN110112639A (en) All -fiber mode-locked laser based on the micro-nano fiber polarizer
RU206388U1 (en) Fiber thulium power amplifier for ultrashort pulses at a wavelength of 1.9 μm
Voropaev et al. All-fiber passively mode-locked ring laser based on normal dispersion active Tm-doped fiber
Peterka et al. Generation of high-repetition-rate pulse trains in a fiber laser through a twin-core fiber
CN108879302A (en) A kind of optical frequency comb generator based on optical parametric oscillation
CN103840358A (en) Mode locking fiber laser based on couplers
Grüner-Nielsen et al. Highly nonlinear fibers for very wideband supercontinuum generation
CN215579525U (en) All-fiber femtosecond seed laser based on large mode field fiber
RU162919U1 (en) COMPACT RING ERBIUM FIBER LASER WITH MOD SYNCHRONIZATION BASED ON A HIGH NONLINEAR LIGHT FILTER
CN211981129U (en) Multi-wavelength pulse fiber laser
RU2764384C1 (en) Method for controlling the amount of coupled solitons in a femtosecond fibre laser
CN213212650U (en) Linear primary and secondary cavity structure mode-locked laser capable of improving femtosecond pulse repetition frequency
Wang et al. Sub-70fs generation from passively mode locked Erbium doped fiber laser using 45 tilted fiber grating
Lee et al. Tm3+-doped silicate fiber amplifier with gain per unit length of 3.17 dB/cm
Zhang et al. Compact mid-infrared Raman soliton source with widely tunable range based on heavily GeO2-doped fiber
Tentori et al. Amplification of polarized signals using a helically wound erbium-doped fiber amplifier
Renard et al. All thulium fiber single-mode master oscillator power amplifier delivering 32-nJ picosecond pulses
Li et al. Mode-Locked Tm Fiber Laser Using Step Index Multimode-Graded Index Multimode Fiber Device as a Saturable Absorber
CN116154587A (en) High-power laser seed source based on germanium saturable absorber and used for multi-mode medical imaging