RU2609721C1

RU2609721C1 - Multiple-component fibre for laser radiation source, consisting of passive and alloyed with rare-earth elements glass fibres, with common polymer shell, on outer surface of which metal wire is wound in helical fashion

Info

Publication number: RU2609721C1
Application number: RU2015137634A
Authority: RU
Inventors: Олег Алексеевич Рябушкин; Виктор Евгеньевич Сыпин; Константин Юрьевич Прусаков
Original assignee: Олег Алексеевич Рябушкин; Виктор Евгеньевич Сыпин; Константин Юрьевич Прусаков
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-02-02

Abstract

FIELD: laser engineering.

SUBSTANCE: invention relates to laser fibre equipment, in particular to production of new types of active laser media. Device represents multiple-component fibre for laser radiation source, including active fibre, having light conductor, alloyed by, at least, one type of rare-earth element, and light-reflecting cladding layer. Besides, at least, one pumping optical fiber guide, which is in optical contact with active fibre, wherein glass active fibre and glass pumping light guide are covered with, at least, one polymer shell layer. Around optical fibre polymer shell metal wire or band is wound.

EFFECT: technical result i fibre laser generating efficiency stabilization.

6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной волоконной техники, в частности к области создания новых типов активных лазерных сред.The invention relates to the field of laser fiber technology, in particular to the field of creating new types of active laser media.

Известно активное волокно с двойной оболочкой (в литературе называется double-clad fiber или DCF волокно) [1]. Оно состоит из световедущей жилы, легированной, как минимум, одним типом редкоземельного элемента, и, по меньшей мере, из одной светоотражающей оболочки. Благодаря волноводному эффекту на границе «оболочка-полимер» (или «оболочка-оболочка») по оболочке может распространяться оптическое излучение. Данный эффект используется для того, чтобы завести в волокно излучение накачки, которое после этого поглощается в активной сердцевине.A double-clad active fiber is known (called double-clad fiber or DCF fiber in the literature) [1]. It consists of a light guide core doped with at least one type of rare earth element, and at least one reflective sheath. Due to the waveguide effect, optical radiation can propagate along the shell-polymer (or shell-shell) interface. This effect is used to inject pump radiation into the fiber, which is then absorbed in the active core.

Известно активное волокно с многоэлементной первой оболочкой (МПО-волокно) [2]. В мировой литературе данный тип волокон называется DSCCP fiber (distributed side-coupled cladding-pumped fiber) или GTWave fiber. Конструкция состоит из волокна, сердцевина которого легирована, как минимум, одним типом редкоземельного иона, и, по меньшей мере, одного многомодового волокна для оптической накачки, которые находятся в оптическом контакте и покрыты общей полимерной оболочкой.Known active fiber with a multi-element first sheath (MPO fiber) [2]. In the world literature, this type of fiber is called DSCCP fiber (distributed side-coupled cladding-pumped fiber) or GTWave fiber. The structure consists of a fiber, the core of which is doped with at least one type of rare-earth ion, and at least one multimode fiber for optical pumping, which are in optical contact and are coated with a common polymer shell.

В настоящее время технология производства таких волокон продолжает развиваться ввиду ряда существенных преимуществ по сравнению с более распространенным активным волокном с двойной оболочкой:Currently, the technology for the production of such fibers continues to evolve due to a number of significant advantages compared to the more common active double-clad fiber:

1. значительное упрощение оптической схемы лазера или усилителя, т.к. при заведении оптической накачки свободными остаются сигнальные входной и выходной порты активного волокна;1. a significant simplification of the optical design of the laser or amplifier, because at the institution of optical pumping, the signal input and output ports of the active fiber remain free;

2. уменьшение тепловой нагрузки на волокно, т.к. накачка заводится не с торца активного волокна, а в расположенное рядом пассивное многомодовое, находящееся в оптическом контакте. В результате уменьшается поглощение накачки на единицу длины волокна, т.е. активная среда оказывается более однородно возбужденной, и уменьшается выделяемое тепло на единице длины [3].2. reducing the thermal load on the fiber, because the pumping is started not from the end of the active fiber, but into a nearby passive multimode located in optical contact. As a result, the absorption of the pump per unit fiber length decreases, i.e. the active medium turns out to be more uniformly excited, and the heat released per unit length decreases [3].

Данный тип активного волокна взят за прототип.This type of active fiber is taken as a prototype.

При использовании данной конструкции достигнуты большие мощности с высоким качеством пучка лазерного излучения [4]. Однако данная конструкция имеет недостаток, ограничивающий получение больших мощностей: ухудшение оптического контакта с увеличением разогрева. Данное явление объясняется тепловым расширением и ухудшением упругих свойств общей полимерной оболочки, за счет которой поддерживается оптический контакт. Сохранение свойств данного контакта является важной задачей для получения лазерных источников большой мощности (десятки киловатт непрерывного излучения).Using this design, high powers with high quality laser beam were achieved [4]. However, this design has a drawback limiting the receipt of high power: the deterioration of optical contact with an increase in heating. This phenomenon is explained by thermal expansion and deterioration of the elastic properties of the common polymer shell, due to which optical contact is maintained. Preserving the properties of this contact is an important task for obtaining high power laser sources (tens of kilowatts of continuous radiation).

Стоит подчеркнуть, что разогрев активной среды является одним из основных ограничивающих факторов на пути к достижению больших мощностей для любой конструкции волокна. Это вызвано рядом причин. При разогреве волокна изменяются спектральное распределение поглощения накачки (сечение поглощения) и спектральная полоса усиления (сечение люминесценции) [5], поперечный профиль моды (вследствие изменения поперечного профиля показателя преломления) [6]. В условиях лазерной генерации, т.е. при наличии резонатора, совокупность этих факторов приводит к уменьшению эффективности генерации. Вышеперечисленные факторы подчеркивают, что температурный контроль волокна также является важной экспериментальной задачей.It is worth emphasizing that heating the active medium is one of the main limiting factors on the path to achieving high power for any fiber design. There are several reasons for this. When the fiber is heated, the spectral distribution of the pump absorption (absorption cross section) and the spectral gain band (luminescence cross section) [5], the transverse mode profile (due to a change in the transverse profile of the refractive index) change [6]. Under conditions of laser generation, i.e. in the presence of a resonator, the combination of these factors leads to a decrease in the generation efficiency. The above factors emphasize that temperature control of the fiber is also an important experimental task.

Известен метод измерения температуры активного волокна лазера в условиях генерации при помощи сенсорного волокна с записанными в нем волоконными брэгговскими решетками (ВБР), находящимися в тепловом контакте с исследуемым [7]. Экспериментально, по спектру оптического отражения определялись температуры ВБР сенсорного волокна, а распределение температуры в сердцевине активного волокна рассчитывалось теоретически. Также данный метод позволял рассчитать продольное распределение в сердцевине волокна. Недостатком данного способа является измерение температуры с помощью волоконных брэгговских решеток, находящихся в слабом одностороннем тепловом контакте (ввиду небольшой площади контакта сенсорного волокна) с полимерной оболочкой активного волокна, что уменьшает точность измерений, а также вносит неоднородность в распределение температуры внутри полимерной оболочки. Вторым недостатком устройства с ВБР является то, что расчеты, по предложенной авторами теоретической модели, основываются на значениях неконтролируемых параметров теплового контакта «полимер-волокно с ВБР».A known method of measuring the temperature of an active fiber of a laser under lasing conditions is by using a sensor fiber with fiber Bragg gratings (FBGs) recorded in it that are in thermal contact with the subject [7]. Experimentally, the temperature of the FBG of the sensor fiber was determined from the optical reflection spectrum, and the temperature distribution in the core of the active fiber was calculated theoretically. Also, this method made it possible to calculate the longitudinal distribution in the fiber core. The disadvantage of this method is the measurement of temperature using fiber Bragg gratings that are in weak one-sided thermal contact (due to the small contact area of the sensor fiber) with the polymer shell of the active fiber, which reduces the accuracy of the measurements, and also introduces heterogeneity in the temperature distribution inside the polymer shell. The second disadvantage of the FBG device is that the calculations, according to the theoretical model proposed by the authors, are based on the values of the uncontrolled parameters of the polymer-fiber with FBG thermal contact.

Техническим результатом изобретения является стабилизация эффективности генерации волоконного лазера за счет уменьшения температурной зависимости оптического контакта между активным волокном и волокном накачки и за счет улучшения теплоотвода от активной среды, а также возможность измерения температуры любого участка волокна.The technical result of the invention is to stabilize the generation efficiency of a fiber laser by reducing the temperature dependence of the optical contact between the active fiber and the pump fiber and by improving heat dissipation from the active medium, as well as the ability to measure the temperature of any part of the fiber.

Технический результат достигается тем, что по всей длине МПО-волокна, включающего активное волокно, содержащее световедущую сердцевину, легированную по меньшей мере одним типом редкоземельного элемента, светоотражающую оболочку, и по меньшей мере один световод для оптической накачки, находящийся в оптическом контакте с активным волокном, при этом активное волокно и волокно накачки покрыты, по меньшей мере, одним слоем полимерной оболочки, намотана металлическая проволока или лента.The technical result is achieved by the fact that along the entire length of the MPO fiber, comprising an active fiber containing a light guide core doped with at least one type of rare-earth element, a reflective cladding, and at least one optical pump fiber in optical contact with the active fiber while the active fiber and the pump fiber are coated with at least one layer of a polymer sheath, a metal wire or tape is wound.

Металлическая проволока или лента, имеющие тонкое электроизолирующее покрытие, могут быть изготовлены из меди или стали с золотым или платиновым покрытием. Они могут быть выполнены в виде единого отрезка или отдельных отрезков, поверх них может быть дополнительно нанесено полимерное покрытие.A metal wire or tape having a thin electrical insulating coating may be made of copper or steel with a gold or platinum coating. They can be made in the form of a single segment or individual segments, a polymer coating can be additionally applied on top of them.

Также данная конструкция позволяет измерять температуру в волокне. При разогреве активного волокна происходит разогрев полимерной защитной оболочки, вследствие чего происходит разогрев металлической проволоки, находящейся в тепловом контакте с полимерной оболочкой. При изменении температуры проволоки происходит изменение ее сопротивления. При измерении сопротивления с высокой точностью (что легко осуществимо при помощи использования современных миллиомметров или мостовых схем) с высокой точностью контролируется температура проволоки, что используется в качестве граничных условий для расчета распределения температуры внутри волокна и полимера. Измерительная система улучшает однородность поперечного распределения температуры внутри волокна вследствие однородности намотки.Also, this design allows you to measure the temperature in the fiber. When the active fiber is heated, the polymer protective shell is heated, as a result of which the metal wire in thermal contact with the polymer shell is heated. When the temperature of the wire changes, its resistance changes. When measuring resistance with high accuracy (which is easily feasible using modern milliometers or bridge circuits), the wire temperature is controlled with high accuracy, which is used as boundary conditions for calculating the temperature distribution inside the fiber and polymer. The measuring system improves the uniformity of the transverse temperature distribution inside the fiber due to the uniformity of the winding.

Расчет проводится на базе стационарных уравнений теплопроводности с известными граничными условиями (температура проволоки). За основу взята модель, предложенная в статье [8]. По сравнению с ранее предложенной моделью, учитываются также тепловые и оптические свойства полимера (модель коаксиального разогрева, впервые предложенная в 2011 году [9]). При этом коэффициенты, характеризующие конвективный теплообмен между полимером и воздухом и между металлом и воздухом, определяются из кинетики разогрева или остывания волокна на основе нестационарных уравнений теплопроводности.The calculation is based on stationary heat conduction equations with known boundary conditions (wire temperature). The model proposed in the article [8] is taken as the basis. Compared with the previously proposed model, the thermal and optical properties of the polymer are also taken into account (the coaxial heating model, first proposed in 2011 [9]). In this case, the coefficients characterizing the convective heat transfer between the polymer and air and between the metal and air are determined from the kinetics of heating or cooling of the fiber based on non-stationary heat conduction equations.

Тепловой контакт «полимер-металл» при изменении температуры может незначительно меняться (из-за теплового изменения линейных размеров полимера и проволоки). В расчеты вносится поправочный коэффициент, определяемый при проведении калибровочного эксперимента.The polymer-metal thermal contact may vary slightly with temperature (due to a thermal change in the linear dimensions of the polymer and the wire). A correction factor determined during the calibration experiment is introduced into the calculations.

При проведении измерений могут быть использованы концы единого отрезка проволоки (для измерения средней температуры волокна) либо дополнительные выводы на едином участке проволоки или отдельные отрезки проволоки. При использовании дополнительных выводов или отдельных отрезков можно измерять сопротивление отдельного участка проволоки или отдельной проволоки, т.е. контролировать разогрев отдельного участка активного волокна, на который намотан измеряемый отрезок проволоки. Благодаря такой конструкции можно измерить продольное распределение температуры в волокне.When conducting measurements, the ends of a single piece of wire (for measuring the average temperature of the fiber) or additional leads on a single piece of wire or individual pieces of wire can be used. When using additional leads or separate segments, it is possible to measure the resistance of a single section of a wire or a separate wire, i.e. to control the heating of a separate section of the active fiber, on which the measured length of wire is wound. Thanks to this design, the longitudinal temperature distribution in the fiber can be measured.

Описанный выше способ измерения температуры волокна может быть использован для любого типа активного волокна (например, и для волокна с двойной оболочкой), а также для измерения температуры любых полностью волоконных элементов (например, ВБР, отрезок пассивного волокна).The method for measuring the temperature of the fiber described above can be used for any type of active fiber (for example, for a double-clad fiber), as well as for measuring the temperature of any completely fiber elements (for example, FBG, a passive fiber segment).

Помимо этого, описанный способ измерения температуры активного волокна может быть использован как метод диагностики качества активных волокон при стандартизации процедуры тестирования (мощность накачки, внешние условия, способ теплоотвода).In addition, the described method for measuring the temperature of the active fiber can be used as a method for diagnosing the quality of active fibers by standardizing the testing procedure (pump power, external conditions, heat removal method).

На фиг. 1 представлено поперечное сечение многоэлементного волокна для волоконного лазера; на фиг. 2 представлено многоэлементное волокно с намотанной на поверхность полимерного покрытия металлической проволокой; на фиг. 3 представлено многоэлементное волокно с выводами (а) и многоэлементное волокно с отдельными отрезками проволоки (б), многоэлементное волокно с выводами на концах (в), где 1 - световедущая жила, легированная, по меньшей мере, одним типом редкоземельного иона, 2 - светоотражающая оболочка, 3 - волокно накачки, 4 - общая полимерная оболочка, 5 - металлическая проволока или лента, 6 - выводы от металлической проволоки или ленты, 7 - измеритель сопротивления.In FIG. 1 is a cross-sectional view of a multi-element fiber for a fiber laser; in FIG. 2 shows a multi-element fiber with a metal wire wound on the surface of a polymer coating; in FIG. 3 shows a multi-element fiber with leads (a) and a multi-element fiber with individual wire segments (b), a multi-element fiber with leads at the ends (c), where 1 is a light guide core doped with at least one type of rare-earth ion, 2 is reflective sheath, 3 — pump fiber, 4 — common polymer sheath, 5 — metal wire or tape, 6 — conclusions from a metal wire or tape, 7 — resistance meter.

Изобретение может быть осуществлено при наматывании медной проволоки диаметром 90 мкм на полимерную оболочку Sylgard МПО-волокна, жила активного волокна которого легирована ионом иттербия. Данное волокно используется в качестве активной среды в лазере, работающем в режиме свободной генерации (резонатор образован прямыми сколами). МПО-волокно имеет при этом воздушное конвективное охлаждение. При включении оптической накачки, осуществляемой при помощи полупроводниковых лазеров с длиной волны 962 нм, суммарная мощность которых не более 140 Вт, от нуля до максимального значения при наличии намотанной проволоки наблюдается незначительное изменение дифференциальной эффективности генерации (меньшее по сравнению со случаем отсутствия намотки), т.е. происходит стабилизация эффективности лазерной генерации.The invention can be carried out by winding a copper wire with a diameter of 90 μm on the polymer shell of Sylgard MPO fiber, the core of the active fiber of which is doped with ytterbium ion. This fiber is used as an active medium in a laser operating in the free generation mode (the cavity is formed by direct chips). MPO fiber has air convective cooling. When optical pumping is performed using semiconductor lasers with a wavelength of 962 nm, the total power of which is not more than 140 W, from zero to the maximum value in the presence of a wound wire, a slight change in the differential generation efficiency is observed (smaller than in the case of no winding), t .e. stabilization of the efficiency of laser generation occurs.

При добавлении к описанной выше конструкции измерителя сопротивления возможно измерение средней по длине температуры активного волокна. При включении максимальной мощности оптической накачки было измерено, что проволока разогрелась в среднем на 30°C по сравнению с комнатной температурой. При этом рассчитано, что средний разогрев сердцевины активного волокна составил 45°C относительно комнатной температуры.When a resistance meter is added to the design described above, it is possible to measure the average temperature of the active fiber over the length. When the maximum optical pump power was turned on, it was measured that the wire was heated to an average of 30 ° C compared to room temperature. It was calculated that the average heating of the core of the active fiber was 45 ° C relative to room temperature.

Таким образом, предлагаемое изобретение стабилизирует эффективность генерации волоконного лазера за счет уменьшения температурной зависимости оптического контакта между активным волокном и волокном накачки и за счет улучшения теплоотвода от активной среды, а также позволяет контролировать температуру разогрева волокна.Thus, the present invention stabilizes the generation efficiency of a fiber laser by reducing the temperature dependence of the optical contact between the active fiber and the pump fiber and by improving heat dissipation from the active medium, and also allows you to control the temperature of the heating of the fiber.

ЛитератураLiterature

1. М. Muendel. Optical fiber structure for efficient use of pump power, USA Patent №5533163 A, July 29, 1994.1. M. Muendel. Optical fiber structure for efficient use of pump power, USA Patent No. 5533163 A, July 29, 1994.

2. A. Grudinin, D. Payne, P. Turner, L. Nilsson, M. Zervas, M. Ibsen, M. Durkin. Multi-fibre arrangements for high power fibre lasers and amplifiers, USA Patent №6826335, Nov 30, 2004.2. A. Grudinin, D. Payne, P. Turner, L. Nilsson, M. Zervas, M. Ibsen, M. Durkin. Multi-fiber arrangements for high power fiber lasers and amplifiers, USA Patent No. 6826335, Nov 30, 2004.

3. Z. Huang, J. Cao, S. Guo, J. Chen, X. Xu. Comparison of fiber lasers based on distributed side-coupled cladding-pumped fibers and double-cladding fibers, Applied Optics, vol. 53, No. 10, pp 2187-2195, 2014.3. Z. Huang, J. Cao, S. Guo, J. Chen, X. Xu. Comparison of fiber lasers based on distributed side-coupled cladding-pumped fibers and double-cladding fibers, Applied Optics, vol. 53, No. 10, pp 2187-2195, 2014.

4. H. Zimer, M. Kozak, A. Liem, F. Flohrer, F. Doerfel, P. Riedel, S. Linke, R. Horley, F. Ghiringhell, S. Demoulins, M. Zervas, J. Kirchhof, S. Unger, S. Jetschke, T. Peschel, T. Schreiber. Fibers and fiber-optic components for high power fiber lasers, Proc. of SPIE, vol. 7914, pp 791414-1 - 791414-17, 2011.4. H. Zimer, M. Kozak, A. Liem, F. Flohrer, F. Doerfel, P. Riedel, S. Linke, R. Horley, F. Ghiringhell, S. Demoulins, M. Zervas, J. Kirchhof, S. Unger, S. Jetschke, T. Peschel, T. Schreiber. Fibers and fiber-optic components for high power fiber lasers, Proc. of SPIE, vol. 7914, pp 791414-1 - 791414-17, 2011.

5. E. Mc-Cumber Einstein Relations Connecting Broadband Emission and Absorption Spectra, Phys. Rev. 136, A954, 16 November 1964D.5. E. Mc-Cumber Einstein Relations Connecting Broadband Emission and Absorption Spectra, Phys. Rev. 136, A954, 16 November 1964D.

6. K.R. Hansen, T.T. Alkeskjold, J. Broeng, and J. Lagsgaard. Thermo-optical effects in high-power Ytterbium-doped fiber amplifiers, Opt. Express 19, pp. 23965-23980, 2011.6. K.R. Hansen, T.T. Alkeskjold, J. Broeng, and J. Lagsgaard. Thermo-optical effects in high-power Ytterbium-doped fiber amplifiers, Opt. Express 19, pp. 23965-23980, 2011.

7. Y. Jeong, S. Baek, P. Dupriez et al. Thermal characteristics of an end-pumped high-power ytterbium-sensitized erbium-doped fiber laser under natural convection, Opt. Express, vol. 16, №24, p.19865, 2008.7. Y. Jeong, S. Baek, P. Dupriez et al. Thermal characteristics of an end-pumped high-power ytterbium-sensitized erbium-doped fiber laser under natural convection, Opt. Express, vol. 16, No. 24, p .9865, 2008.

8. D.C. Brown, H.J. Hoffman. Thermal, stress, and thermo-optic effects in high average power double-clad silica fiber lasers, Journal of Quantum Electronics, IEEE, vol.37, no. 2, pp. 207-217, 2001.8. D.C. Brown, H.J. Hoffman. Thermal, stress, and thermo-optic effects in high average power double-clad silica fiber lasers, Journal of Quantum Electronics, IEEE, vol. 37, no. 2, pp. 207-217, 2001.

9. B.B. Гайнов, P.M. Шайдулин, O.A. Рябушкин. Стационарный разогрев активных волоконных световодов при оптической накачке, Квантовая электроника, т. 41, ном. 7, с. 637-643, 2011.9. B.B. Gainov, P.M. Shaidulin, O.A. Ryabushkin. Stationary heating of active optical fibers under optical pumping, Quantum Electronics, vol. 41, nom. 7, p. 637-643, 2011.

Claims

1. A multi-element fiber for a laser radiation source, comprising an active fiber containing a light guide core doped with at least one type of rare earth element and a reflective sheath, and at least one pump waveguide in optical contact with the active fiber, wherein the glass active fiber and the glass pump fiber are coated with at least one layer of a polymer sheath, characterized in that a metallic film is wound around the polymer sheath of the optical fiber wire or tape.

2. A multi-element fiber for a laser source according to claim 1, characterized in that the metal wire or tape is made in the form of a single section.

3. A multi-element fiber for a laser source according to claim 1, characterized in that the metal wire or tape is a separate segments.

4. A multi-element fiber for a laser source according to claim 1, characterized in that a polymer coating is applied on top of the metal wire or tape.

5. A multi-element fiber for a laser source according to claim 2 or 3, characterized in that a device for measuring electrical resistance is connected to the ends of the wire or tape.

6. A multi-element fiber for a laser source according to claim 2, characterized in that on the wire or tape wound on the optical fiber, several conclusions are made to which devices for measuring resistance are connected.