RU2674561C1 - Active ytterbic cone optical fiber with fiber input of pump radiation and all-fiber scheme of amplifier - Google Patents
Active ytterbic cone optical fiber with fiber input of pump radiation and all-fiber scheme of amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2674561C1 RU2674561C1 RU2017124514A RU2017124514A RU2674561C1 RU 2674561 C1 RU2674561 C1 RU 2674561C1 RU 2017124514 A RU2017124514 A RU 2017124514A RU 2017124514 A RU2017124514 A RU 2017124514A RU 2674561 C1 RU2674561 C1 RU 2674561C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- core
- cone
- refractive index
- radiation
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 50
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title abstract description 13
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 7
- -1 rare earth ions Chemical class 0.000 claims description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 claims 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 abstract description 20
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);ytterbium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Yb+3].[Yb+3] UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 2
- 229940075624 ytterbium oxide Drugs 0.000 abstract description 2
- 229910003454 ytterbium oxide Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229920006240 drawn fiber Polymers 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000148 Polycarbophil calcium Polymers 0.000 description 2
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 2
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N phosphinic chloride Chemical compound ClP=O RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- 101100456571 Mus musculus Med12 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- ATRMIFNAYHCLJR-UHFFFAOYSA-N [O].CCC Chemical group [O].CCC ATRMIFNAYHCLJR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N methylenedioxypyrovalerone Chemical compound C=1C=C2OCOC2=CC=1C(=O)C(CCC)N1CCCC1 SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
- H01S3/06745—Tapering of the fibre, core or active region
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к волоконным световодам, в частности, активным волоконным световодам, с полностью волоконным вводом излучения накачки в первую оболочку, способам их изготовления, а также монолитным (не требующим юстировки) оптическим усилителям на основе таких световодов с большим порогом нелинейных эффектов.The present invention relates to optical fibers, in particular active optical fibers, with completely fiber input of pump radiation into the first cladding, methods for their manufacture, as well as monolithic (not requiring alignment) optical amplifiers based on such optical fibers with a large threshold of nonlinear effects.
Изобретение может быть использовано для реализации полностью волоконных лазеров импульсного или непрерывного излучения с высокой энергией в импульсе и/или средней мощностью для целей микрообработки материалов, приборостроения, научных исследований и т.п.The invention can be used to implement fully fiber lasers of pulsed or continuous radiation with high energy per pulse and / or average power for microprocessing materials, instrumentation, scientific research, etc.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Одним из наиболее перспективных и в то же время новых направлений промышленности является лазерная микрообработка материалов, где в качестве источника излучения используются простые в реализации импульсные иттербиевые волоконные лазеры ультракороткой длительности, генерирующие излучение в фундаментальной моде. Лазеры с длительностью импульсов в десятки и сотни наносекунд наиболее просты в изготовлении и популярны вследствие своей невысокой стоимости, а так же высокой скорости обработки материалов. В то же время за счет сокращения длительности импульсов до десятков пикосекунд и сотен фемтосекунд возможно повысить качество микрообработки материалов до уровня, когда не требуется дальнейшая постобработка изделий. Во всех случаях максимально достижимая энергия в импульсе увеличивается с увеличением диаметра световедущей сердцевины (за счет увеличения площади фундаментальной моды, приводящей к увеличению порога нелинейных эффектов; за счет роста накопленной энергии в усилителе).One of the most promising and at the same time new areas of industry is laser micro-processing of materials, where pulsed ultra-short-duration pulsed ytterbium fiber lasers that are simple to implement and generate radiation in the fundamental mode are used as a radiation source. Lasers with pulses of tens or hundreds of nanoseconds are the easiest to manufacture and popular due to their low cost and high processing speed. At the same time, by reducing the pulse duration to tens of picoseconds and hundreds of femtoseconds, it is possible to improve the quality of microprocessing of materials to a level where further post-processing of products is not required. In all cases, the maximum achievable energy per pulse increases with increasing diameter of the light guide core (due to an increase in the fundamental mode area, which leads to an increase in the threshold of nonlinear effects; due to an increase in the stored energy in the amplifier).
В настоящее время существуют эффективные конструкции активных иттербиевых световодов с повышенным порогом нелинейных эффектов за счет увеличенного диаметра сердцевины, имеющие различные механизмы подавления высших мод (см., например, ЕР 1420276 A1, US 7403689 В2, US 8433168 В2, CN 105572793 А), использование которых позволяют получать импульсы необходимой длительности и энергии с дифракционно-ограниченным качеством пучка.Currently, there are effective designs of active ytterbium waveguides with an increased threshold of nonlinear effects due to the increased core diameter, having various higher mode suppression mechanisms (see, for example, EP 1420276 A1, US 7403689 B2, US 8433168 B2, CN 105572793 A), use which allow to obtain pulses of the required duration and energy with diffraction-limited beam quality.
Наиболее простой в реализации и последующем использовании конструкцией являются так называемые световоды-конусы (US 6324326 В1), у которых диаметр активной сердцевины и пассивных отражающих оболочек растет с увеличением длины световода. Типичным значением диаметра сердцевины на входе световода-конуса является 3-20 мкм, диаметр выходной сердцевины может достигать 100 мкм (Valery Filippov, Andrei Vorotynskii, Teppo Noronen, Regina Gumenyuk, Yuri Chamorovskii, and Konstantin Golant, "Picosecond MOPA with ytterbium doped tapered double clad fiber," in Proc. Of SPIE Vol. 10083, 100831H-1, 2017). Как правило на входе световод-конус поддерживает только одну фундаментальную моду на рабочей длине волны, тогда как выход является сильно многомодовым. Однако, при обеспечении достаточно плавного увеличения диаметра сердцевины по длине световода, возможно добиться распространения фундаментальной моды от одномодового конца до многомодового конца без потерь энергии на возбуждение высших мод.The simplest construction and subsequent use of the design are the so-called fiber cones (US 6324326 B1), in which the diameter of the active core and passive reflective cladding grows with increasing length of the fiber. A typical core diameter at the inlet of the fiber-cone is 3-20 μm, the diameter of the output core can reach 100 μm (Valery Filippov, Andrei Vorotynskii, Teppo Noronen, Regina Gumenyuk, Yuri Chamorovskii, and Konstantin Golant, "Picosecond MOPA with ytterbium doped tapered double clad fiber, "in Proc. Of SPIE Vol. 10083, 100831H-1, 2017). As a rule, at the input, the fiber-cone supports only one fundamental mode at the operating wavelength, while the output is highly multimode. However, while ensuring a sufficiently smooth increase in the diameter of the core along the length of the fiber, it is possible to achieve the propagation of the fundamental mode from the single-mode end to the multimode end without loss of energy on excitation of higher modes.
В настоящий момент было предложено несколько способов создания световодов-конусов. Условно их можно разделить на две группы. К первой группе относятся способы, в которых изменение диаметров сердцевины и оболочек происходит в процессе вытяжки световода из стеклянной заготовки. Например, в [Vladimir A. Bogatyrev, Mikhail М. Bubnov, Е.М. Dianov, A.S. Kurkov, Pavel V. Mamyshev, A.M. Prokhorov, Sergey L. Semenov, Alexej A. Sysoliatin, Stanislav V. Chernikov, A.N. 
Наибольший порог нелинейных эффектов в световодах-конусах удается достигнуть при обеспечении высокой скорости поглощения накачки из оболочки, что позволяет сократить используемую длину конусного световода. Так был продемонстрирован иттербиевый световод-конус с поддержкой поляризации, коэффициентом усиления более 40 дБ и пиковой мощности непосредственно на выходе световода, превышающей МВт (Konstantin К. Bobkov, Maxim Yu. Koptev, Andrei E. Levchenko, Svetlana S. Aleshkina, Sergey L. Semenov, Alexander N. Denisov, Mikhail M. Bubnov, Denis S. Lipatov, Alexander Yu. Laptev, Alexey N. Guryanov, Elena A. Anashkina, Sergey V. Muravyev, Alexey V. Andrianov, Arkady V. Kim, Mikhail E. Likhachev, "MW peak power diffraction limited monolithic Yb-doped tapered fiber amplifier," in Proc. Of SPIE Vol. 10083, 1008309, 2017). С целью дополнительного увеличения порога нелинейных эффектов, излучение накачки вводилось в первую оболочку навстречу усиливаемому сигналу через многомодовый конец световода-конуса с использованием системы линз и зеркал, что позволило значительно поднять порог вынужденного комбинационного рассеяния, но снизило надежность системы и увеличило ее стоимость и размеры.The highest threshold of nonlinear effects in cone fibers can be achieved by ensuring a high rate of pump absorption from the cladding, which reduces the length of the cone fiber used. Thus, an ytterbium fiber cone with polarization support, a gain of more than 40 dB and a peak power directly at the output of a fiber exceeding MW was demonstrated (Konstantin K. Bobkov, Maxim Yu. Koptev, Andrei E. Levchenko, Svetlana S. Aleshkina, Sergey L. Semenov, Alexander N. Denisov, Mikhail M. Bubnov, Denis S. Lipatov, Alexander Yu. Laptev, Alexey N. Guryanov, Elena A. Anashkina, Sergey V. Muravyev, Alexey V. Andrianov, Arkady V. Kim, Mikhail E. Likhachev, "MW peak power diffraction limited monolithic Yb-doped tapered fiber amplifier," in Proc. Of SPIE Vol. 10083, 1008309, 2017). In order to further increase the threshold of nonlinear effects, the pump radiation was introduced into the first shell towards the amplified signal through the multimode end of the fiber-cone using a system of lenses and mirrors, which significantly increased the threshold of stimulated Raman scattering, but reduced the reliability of the system and increased its cost and size.
В настоящий момент известен ряд конструкций, так называемых, волоконных объединителей излучения сигнала и накачки, которые можно разделить на два типа. В объединителях первого типа пассивный световод с излучением сигнала и собранные вокруг него волоконные жилы с излучением накачки подвариваются торец-в-торец к световоду, в котором излучение объединяется - сигнал попадает в сердцевину, а накачка - в первую отражающую оболочку (см., например, US 7272956 В1), затем последний подваривается к активному световоду. Вследствие большого диаметра сердцевины на выходе световода-конуса (как правило 40-100 мкм), данный световод несовместим ни с одним полностью волоконным объединителем накачки и сигнала (одномодовые световоды с таким диаметром сердцевины становятся слишком чувствительными к изгибу и не могут быть изогнуты). Кроме того дополнительная длина пассивного световода (используемого в объединителе накачки и сигнала) на выходе усилительной системы при водит к снижению порога нелинейных эффектов. В объединителях второго типа излучение накачки вводится сбоку благодаря прямому контакту боковых поверхностей световода с сигналом и жилы с накачкой, благодаря чему излучение накачки перетекает в первую оболочку световода, по сердцевине которого распространяется сигнал (см., например, US 7277612 В2). Как правило, в предлагаемых методах в накачных жилах создается двойной конический переход (от толстой части к тонкой и обратно), имеющий малую длину - порядка одного десятка мм, а затем жила обматывается вокруг сигнального световода. Такой способ ввода излучения накачки позволяет достигать значения эффективности ввода (отношение мощности накачки, введенной в сигнальный световод, к мощности накачки, введенной накачную жилу) до 98% и использовать данную конструкцию в мощных схемах со встречным вводом излучения накачки. С использованием данной конструкции была реализована схема эрбиевого усилителя, в которой жилы с излучением накачки были приварены непосредственно к активному эрбиевому световоду (Kazi S. Abedin, John М. Fini, Taunay F. Thierry, Benyuan Zhu, Man F. Yan, Lalit Bansal, Frank V. Dimarcello, Eric M. Monberg, and David J. DiGiovanni, "Seven-core erbium-doped double-clad fiber amplifier pumped simultaneously by side-coupled multimode fiber," Opt. Letters, 39(4), 2014). Однако на данный момент не были продемонстрированы активные световоды-конусы с боковым полностью волоконным вводом излучения накачки с многомодовой стороны.Currently, a number of designs are known, the so-called fiber combiners of signal and pump radiation, which can be divided into two types. In combiners of the first type, a passive fiber with signal radiation and fiber cores assembled around it with pump radiation are welded end-to-end to the fiber in which the radiation is combined - the signal enters the core and the pump enters the first reflective cladding (see, for example, US 7272956 B1), then the latter is welded to the active fiber. Due to the large diameter of the core at the exit of the fiber-cone (typically 40-100 μm), this fiber is not compatible with any fully fiber pump and signal combiner (single-mode fibers with this core diameter become too sensitive to bending and cannot be bent). In addition, the additional length of the passive fiber (used in the pump and signal combiner) at the output of the amplifier system leads to a decrease in the threshold of nonlinear effects. In combiners of the second type, pump radiation is introduced from the side due to direct contact of the side surfaces of the fiber with the signal and the core with pumping, so that the pump radiation flows into the first cladding of the fiber along the core of which the signal propagates (see, for example, US 7277612 B2). As a rule, in the proposed methods, a double conical transition (from the thick to the thin part and vice versa) is created in the pumped wires, having a short length of the order of one tens of mm, and then the wire is wrapped around the signal fiber. This method of introducing pump radiation allows one to achieve input efficiencies (the ratio of the pump power introduced into the signal waveguide to the pump power introduced to the pump core) up to 98% and to use this design in high-power circuits with counter-input pump radiation. Using this design, an erbium amplifier circuit was implemented in which the pumped radiation wires were welded directly to the active erbium waveguide (Kazi S. Abedin, John M. Fini, Taunay F. Thierry, Benyuan Zhu, Man F. Yan, Lalit Bansal, Frank V. Dimarcello, Eric M. Monberg, and David J. DiGiovanni, "Seven-core erbium-doped double-clad fiber amplifier pumped simultaneously by side-coupled multimode fiber," Opt. Letters, 39 (4), 2014). However, at the moment, active cone optical fibers with a lateral all-fiber input of pump radiation from the multimode side have not been demonstrated.
Таким образом, в настоящее время не раскрыты активные световоды-конусы с полностью волоконным вводом излучения накачки в первую оболочку, с использованием которых можно создать полностью волоконную систему, имеющую высокий порог нелинейных эффектов.Thus, at present, active cones with fully fiber input of pump radiation into the first cladding have not been disclosed, using which it is possible to create a fully fiber system with a high threshold of nonlinear effects.
Краткое изложение существа изобретенияSummary of the invention
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания активного волоконного световода-конуса, позволяющего достичь высокий порог нелинейных эффектов при усилении оптического излучения, легированного ионами редкоземельных элементов (например, Er3+, Yb3+, Tm3+, Но3+ и т.п.), и имеющего полностью волоконный ввод излучения накачки в первую отражающую оболочку навстречу усиливаемому сигналу.The basis of the present invention is the creation of an active fiber cone, which allows to achieve a high threshold of nonlinear effects when amplifying optical radiation doped with rare earth ions (for example, Er 3+ , Yb 3+ , Tm 3+ , But 3+ , etc. .), and having a completely fiber input of pump radiation into the first reflecting cladding towards the amplified signal.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа изготовления волоконного световода-конуса с большим порогом нелинейных эффектов для усиления оптического излучения в спектральной области вблизи 1 мкм, легированного оксидом иттербия, и имеющего полностью волоконный ввод излучения накачки навстречу усиливаемому сигналу.The basis of the present invention is the task of creating a method of manufacturing a fiber cone with a large threshold of nonlinear effects for amplifying optical radiation in the spectral region near 1 μm doped with ytterbium oxide and having a fully fiber input of pump radiation towards the amplified signal.
В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания полностью волоконного усилителя коротких импульсов на основе указанного волоконного световода.The basis of the present invention is also the task of creating a fully fiber amplifier of short pulses based on the specified fiber.
Поставленная задача решена путем создания волоконного световода, с увеличивающимися по длине диаметрами сердцевины, первой отражающей оболочки и второй отражающей оболочки. Сердцевина состоит из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности для формирования требуемого профиля показателя преломления и/или повышения растворимости ионов редкоземельных элементов в кварцевом стекле. Первая отражающая оболочка состоит из кварцевого стекла, имеющего более низкий показатель преломления, чем показатель преломления сердцевины для обеспечения распространения излучения сигнала по сердцевине световода. Оболочка может содержать дополнительные области из легированного кварцевого стекла (например, легированное оксидом бора), необходимые, например, для создания двулучепреломления в сердцевине световода и придания ей способности сохранять поляризацию. Оболочка может иметь поперечное сечение по форме отличное от идеального круга, с целью увеличения величины поглощения излучения накачки из оболочки.The problem is solved by creating a fiber waveguide, with increasing in diameter diameters of the core, the first reflective cladding and the second reflective cladding. The core consists of quartz glass doped with rare earth ions and additional dopants (for example, Ge, Al, P, F, B) taken together or separately to form the desired refractive index profile and / or to increase the solubility of rare earth ions in quartz glass . The first reflective cladding consists of quartz glass having a lower refractive index than the refractive index of the core to ensure the propagation of signal radiation through the core of the fiber. The cladding may contain additional regions of doped quartz glass (for example, doped with boron oxide), necessary, for example, to create birefringence in the core of the fiber and give it the ability to maintain polarization. The shell may have a cross-sectional shape different from the ideal circle, in order to increase the absorption of pump radiation from the shell.
Световод имеет вторую отражающую оболочку, состоящую из легированного кварцевого стекла с пониженным показателем преломления и дополнительно снаружи покрытую защитным полимерным покрытием, либо из полимерного покрытия с показателем преломления ниже уровня нелегированного кварцевого стекла, что обеспечивает распространение излучения накачки по первой оболочке за счет эффекта полного внутреннего отражения.The fiber has a second reflective cladding, consisting of doped quartz glass with a low refractive index and additionally coated with a protective polymer coating, or a polymer coating with a refractive index below the level of undoped quartz glass, which ensures the propagation of pump radiation through the first cladding due to the effect of total internal reflection .
Заготовка волоконного световода может быть создана с помощью стандартных методов, например метода модифицированного осаждения из газовой фазы (Modified Chemical Vapor Deposition - MCVD), все легирующие добавки осаждаются из газовой фазы (например с использованием SiCl4, РOСl3, АlСl3, Yb(thd)3), либо часть легирующих добавок вводится путем пропитки раствором пористого слоя.An optical fiber preform can be created using standard methods, such as the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) method, all dopants are deposited from the gas phase (for example, using SiCl 4 , POCl 3 , AlCl 3 , Yb (thd ) 3 ), or part of the alloying additives is introduced by impregnation with a solution of the porous layer.
Конусный световод может быть изготовлен непосредственно в процессе вытяжки (за счет вариации параметров или условий вытяжки), либо с использованием уже вытянутого световода с постоянным диаметром и специального оборудования для изготовления конусных световодов.The conical fiber can be made directly in the process of drawing (by varying the parameters or conditions of the drawing), or using an already drawn fiber with a constant diameter and special equipment for the manufacture of conical optical fibers.
Поставленная задача решена также путем создания способа изготовления полностью волоконного ввода излучения накачки в первую отражающую оболочку световода-конуса. Указанный способ содержит этапы,The problem is also solved by creating a method of manufacturing a fully fiber input pump radiation into the first reflective shell of the fiber-cone. The specified method comprises the steps
на которых подготавливают активный световод-конус либо удаляя защитное покрытие, в случае, если световод-конус имеет только одну стеклянную оболочку, либо удаляя защитное покрытие и вторую отражающую оболочку, стравливая в плавиковой кислоте или стачивая механическими способами,on which an active fiber cone is prepared either by removing the protective coating, if the fiber cone has only one glass sheath, or by removing the protective coating and the second reflective sheath, etched in hydrofluoric acid or mechanically grinded,
затем подготавливают одну или несколько кварцевых жил, максимальное количество жил (N) ограничено диаметром световода-конуса (Ds) и диаметром накачной жилы (Dp) как N<π(Dp+Ds)/Dp.then one or several quartz veins are prepared, the maximum number of veins (N) is limited by the diameter of the cone fiber (D s ) and the diameter of the pump core (D p) as N <π (D p + D s ) / D p .
после чего, совмещая боковые поверхности подготовленного световода-конуса и накачной жилы, конструкция сплавляется за счет нагрева в плазме электрической дуги, либо лазерного излучения (например, СО2 лазера), либо с использованием высокотеппературной нагревательной печи до температуры размягчения кварцевого стекла.after which, combining the side surfaces of the prepared fiber-cone and the pump core, the structure is fused by heating in the plasma of an electric arc, either by laser radiation (e.g., a CO 2 laser), or using a high-temperature heating furnace to the softening temperature of silica glass.
Поставленная задача решена также путем создания монолитного усилителя, содержащего источник излучения накачки, которая вводится в первую оболочку активного световода через приплавленные кварцевые жилы, сигнал в который вводится через тонкий конец световода конуса и выводится через толстый конец.The problem was also solved by creating a monolithic amplifier containing a pump radiation source, which is introduced into the first cladding of the active fiber through the fused silica veins, the signal into which is introduced through the thin end of the cone fiber and output through the thick end.
Технический результат заключается в создании активного иттербиевого световода-конуса с высоким порогом нелинейных эффектов, большим коэффициентом усиления и полностью волоконным вводом излучения накачки.The technical result consists in creating an active ytterbium fiber-cone with a high threshold of nonlinear effects, a large gain and a fully fiber input pump radiation.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг. 1 изображает распределение диаметра сердцевины активного световода-конуса для четырех вариантов исполнения;FIG. 1 shows the distribution of the core diameter of an active fiber-cone for four embodiments;
Фиг. 2 изображает конструкцию волоконного ввода излучения накачки в первую оболочку световода-конуса;FIG. 2 shows a structure of a fiber input of pump radiation into a first cladding of a fiber-cone;
Фиг. 3 изображает схему усилителя чирпированных импульсов на основе активного световода-конуса.FIG. 3 shows a diagram of a chirped pulse amplifier based on an active fiber cone.
Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of Embodiments
Волоконный световод для усиления оптического излучения, согласно изобретению, содержит сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности для формирования требуемого профиля показателя преломления и/или повышения растворимости ионов редкоземельных элементов в кварцевом стекле Диаметр сердцевины увеличивается по длине световода.The optical fiber for amplifying optical radiation according to the invention comprises a quartz glass core doped with rare earth ions and additional dopants (for example, Ge, Al, P, F, B) taken together or separately to form the desired refractive index profile and / or increase the solubility of rare-earth ions in quartz glass. The diameter of the core increases along the length of the fiber.
Волоконный световод содержит также, по меньшей мере, одну оболочку из кварцевого стекла, имеющего показатель преломления меньший показателя преломления сердцевины для обеспечения распространения излучения сигнала по сердцевине, и внешнее покрытие, имеющее показатель преломления меньший показателя преломления внешней стеклянной оболочки, обеспечивающее распространение излучения накачки по внешней стеклянной оболочке.The optical fiber also contains at least one cladding of silica glass having a refractive index lower than the refractive index of the core to ensure the propagation of signal radiation through the core, and an outer coating having a refractive index lower than the refractive index of the outer glass shell, allowing the propagation of pump radiation over the outer glass shell.
На Фиг. 1 представлено характерное распределение диаметра сердцевины световода-конуса для четырех вариантов исполнения. Вариант (а) соответствует световоду-конусу, фактически, состоящему из трех частей: сначала диаметр постоянен, затем линейно уменьшается, затем опять постоянен. Вариант (б) соответствует случаю, когда диаметр сердцевины сначала неизменен, затем уменьшается по линейному закону. Вариант (в) соответствует случаю, когда диаметр сердцевины уменьшается по линейному закону. Вариант (г) соответствует случаю, когда диаметр сердцевины плавно уменьшается по всей длине световода-конуса. Во всех случаях диаметры кварцевых оболочек изменяются аналогично диаметрам сердцевины.In FIG. 1 shows the characteristic distribution of the diameter of the core of the fiber-cone for four versions. Option (a) corresponds to a fiber cone, which actually consists of three parts: first, the diameter is constant, then it decreases linearly, then it is constant again. Option (b) corresponds to the case when the diameter of the core is first unchanged, then decreases linearly. Option (c) corresponds to the case when the diameter of the core decreases linearly. Option (d) corresponds to the case when the diameter of the core gradually decreases along the entire length of the fiber-cone. In all cases, the diameters of the quartz shells change similarly to the diameters of the core.
Заготовка для заявленного волоконного световода для усиления оптического излучения может быть реализована с помощью стандартных методов, например, метода модифицированного осаждения из газовой фазы (Modified Chemical Vapor Deposition - MCVD), все легирующие добавки осаждаются из газовой фазы (например, с использованием SiCl4, POCl3, AlCl3, Yb(thd)3), либо часть легирующих добавок вводится путем пропитки раствором пористого слоя. Заявленный волоконный световод-конус может быть изготовлен непосредственно в процессе вытяжки (за счет вариации параметров или условий вытяжки), либо с использованием уже вытянутого световода с постоянным диаметром и специального оборудования для изготовления конусных световодов.A blank for the claimed optical fiber for amplifying optical radiation can be implemented using standard methods, for example, the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) method, all dopants are deposited from the gas phase (for example, using SiCl 4 , POCl 3 , AlCl 3 , Yb (thd) 3 ), or part of the dopants is introduced by impregnation with a solution of the porous layer. The claimed fiber cone fiber can be made directly in the process of drawing (by varying the parameters or conditions of the draw), or using an already drawn fiber with a constant diameter and special equipment for the manufacture of conical fibers.
На Фиг. 2 продемонстрированы конструкции волоконного ввода излучения накачки в первую оболочку световода-конуса с использованием накачной жилы. Возможен вариант реализации конструкции без предварительного создания конусного перехода в накачной жиле (а). Поскольку выходной конец световода-конуса является сильно многомодовым, то приложение каких-либо деформирующих напряжений к выходному концу будет приводить возникновению деформаций сердцевины 3 и к перекачке излучения из фундаментальной моды в высшие моды. Поэтому накачной световод должен контактировать с световодом-конусом без каких либо напряжений. В предложенной конструкции накачная жила 1 фиксируется на оболочке 2 световода-конуса с помощью полимерного материала 4. Затем накачная жила приплавляется к первой оболочке световода-конуса с помощью электрического разряда, лазерного излучения или нагрева при помощи высокотемпературной печи.In FIG. Figure 2 shows the design of the fiber input of pump radiation into the first cladding of a fiber-cone using a pump core. A possible implementation of the design without first creating a conical transition in the pump core (a). Since the output end of the fiber-cone is strongly multimode, the application of any deforming stresses to the output end will lead to deformations of the
Возможен вариант, в котором на конце накачной жилы предварительно формируется конусная часть. Сплавление накачной жилы и оболочки световода-конуса может осуществляться как в области конической части накачной жилы (б), так и в обеих частях одновременно (в).A variant is possible in which a conical part is preliminarily formed at the end of the pump core. The fusion of the pump core and the sheath of the fiber cone can be carried out both in the region of the conical part of the pump core (b) and in both parts simultaneously (c).
Конический переход в накачной жиле может быть реализован как химическими методами, например, травлением в плавиковой кислоте, так и с помощью нагрева электрической дугой, лазерным излучением или нагревом при помощи высокотемпературной печи.A conical transition in a pumped core can be realized either by chemical methods, for example, by etching in hydrofluoric acid, or by heating with an electric arc, laser radiation, or by heating with a high-temperature furnace.
Количество накачных жил ограничено только соотношением геометрических размеров. Максимальное количество жил (N) ограничено диаметром световода-конуса (Ds) и диаметром накачной жилы (Dp) как N<π(Dp+Ds)/Dp (г).The number of pump cores is limited only by the ratio of geometric dimensions. The maximum number of cores (N) is limited by the diameter of the fiber cone (D s ) and the diameter of the pump core (D p ) as N <π (D p + D s ) / D p (g).
В случае реализации полукруглых углублений (5) в первой оболочке световода-конуса (2) на этапе создания стеклянной заготовки, возможно полное стравливание в плавиковой кислоте второй фторированной оболочки на этапе подготовки световода-конуса, а затем возможна фиксация накачных жил в образовавшихся углублениях (д).In the case of the implementation of semicircular recesses (5) in the first cladding of the fiber-cone (2) at the stage of creating the glass blank, it is possible to completely etch the second fluorinated shell in hydrofluoric acid at the stage of preparation of the fiber-cone, and then fixation of the pump cores in the formed recesses )
Во всех вариантах исполнения накачная жила приплавляется к первой оболочке световода-конуса с помощью электрического разряда, лазерного излучения или нагрева при помощи высокотемпературной печи.In all versions, the pump core is melted to the first sheath of the fiber-cone using an electric discharge, laser radiation or heating using a high-temperature furnace.
На Фиг. 3 показана конструкция полностью волоконного усилителя чирпированных импульсов на основе реализованного активного иттербиевого световода-конуса. Данная конструкция содержит источник чирпированных импульсов малой мощности, длительности и энергии 1, реализованный активный световод-конус 2, источник многомодового излучения накачки 3.In FIG. Figure 3 shows the design of a fully fiber chirped pulse amplifier based on a realized active ytterbium fiber cone. This design contains a source of chirped pulses of low power, duration and
Следует отметить, что конструкция усилителя была получена с помощью сварных соединений, т.е. входной тонкий конец активного световода-конуса был приварен с низкими оптическими потерями к волоконному выходу генератора чирпированных импульсов, а волоконный выход источника многомодового излучения приваривался к накачной жиле активного световода-конуса. При этом излучение накачки распространяется навстречу излучению усиливаемого сигнала.It should be noted that the design of the amplifier was obtained using welded joints, i.e. the input thin end of the active fiber cone was welded with low optical loss to the fiber output of the chirped pulse generator, and the fiber output of the multimode radiation source was welded to the pump core of the active fiber cone. In this case, the pump radiation propagates towards the radiation of the amplified signal.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017124514A RU2674561C1 (en) | 2017-07-11 | 2017-07-11 | Active ytterbic cone optical fiber with fiber input of pump radiation and all-fiber scheme of amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017124514A RU2674561C1 (en) | 2017-07-11 | 2017-07-11 | Active ytterbic cone optical fiber with fiber input of pump radiation and all-fiber scheme of amplifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2674561C1 true RU2674561C1 (en) | 2018-12-11 |
Family
ID=64753267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017124514A RU2674561C1 (en) | 2017-07-11 | 2017-07-11 | Active ytterbic cone optical fiber with fiber input of pump radiation and all-fiber scheme of amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2674561C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021242133A1 (en) * | 2020-05-29 | 2021-12-02 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тэйпер Лайт" | Optical fibre, method for manufacturing same and optical signal amplifier |
| RU2803143C1 (en) * | 2020-05-29 | 2023-09-07 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тэйпер Лайт" | Active fibre light guide with various cross-section area, method for its manufacture (versions) and optical signal amplifier on its basis |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2001111325A (en) * | 1998-09-25 | 2003-05-20 | Корнинг Инкорпорейтед | OPTICAL FIBER WITH AN EXTENDED MODE FIELD DIAMETER AND METHOD FOR EXTENDING AN OPTICAL FIBER MODE FIELD DIAMETER |
| WO2013138364A1 (en) * | 2012-03-12 | 2013-09-19 | Nlight Photonics Corporation | Laser amplifier system using active tapers |
-
2017
- 2017-07-11 RU RU2017124514A patent/RU2674561C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2001111325A (en) * | 1998-09-25 | 2003-05-20 | Корнинг Инкорпорейтед | OPTICAL FIBER WITH AN EXTENDED MODE FIELD DIAMETER AND METHOD FOR EXTENDING AN OPTICAL FIBER MODE FIELD DIAMETER |
| WO2013138364A1 (en) * | 2012-03-12 | 2013-09-19 | Nlight Photonics Corporation | Laser amplifier system using active tapers |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Алешкина С.С., Лихачев М.Е. статья "Волоконный усилитель на основе активного иттербиевого световода-конуса для получения ультракоротких оптических импульсов с мегаваттным уровнем пиковой мощности" к журналу "Квантовая электроника", том 45, N 5, 2015 г., с. 443-450. * |
| Алешкина С.С., Лихачев М.Е. статья "ПОЛНОСТЬЮ ВОЛОКОННЫЙ ИСТОЧНИК МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ГЕНЕРАЦИИ 0,98 МКМ" к журналу "Прикладная фотоника", N 2, 2015 г., с. 121-134. * |
| Алешкина С.С., Лихачев М.Е. статья "ПОЛНОСТЬЮ ВОЛОКОННЫЙ ИСТОЧНИК МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ГЕНЕРАЦИИ 0,98 МКМ" к журналу "Прикладная фотоника", N 2, 2015 г., с. 121-134. Алешкина С.С., Лихачев М.Е. статья "Волоконный усилитель на основе активного иттербиевого световода-конуса для получения ультракоротких оптических импульсов с мегаваттным уровнем пиковой мощности" к журналу "Квантовая электроника", том 45, N 5, 2015 г., с. 443-450. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021242133A1 (en) * | 2020-05-29 | 2021-12-02 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тэйпер Лайт" | Optical fibre, method for manufacturing same and optical signal amplifier |
| RU2803143C1 (en) * | 2020-05-29 | 2023-09-07 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тэйпер Лайт" | Active fibre light guide with various cross-section area, method for its manufacture (versions) and optical signal amplifier on its basis |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109154699B (en) | Optical fiber and optical fiber device | |
| US8970947B2 (en) | Auto-cladded multi-core optical fibers | |
| US8279900B2 (en) | Mode-locked two-micron fiber lasers | |
| CN100427979C (en) | Laser power integrated device and its implement method | |
| WO2013038794A1 (en) | Optical fiber, optical fiber laser, optical fiber amplifier, and method for producing optical fiber | |
| CN101946377B (en) | Optical fiber laser | |
| CN107329205B (en) | Rare earth doped optical fiber | |
| Langner et al. | Multi-kW single fiber laser based on an extra large mode area fiber design | |
| US20210367391A1 (en) | Pump reflectors for cladding-pumped optical fiber systems | |
| JP2013102170A (en) | Rare earth doped and large effective area optical fibers for fiber lasers and fiber amplifiers | |
| Ye et al. | Novel constant-cladding tapered-core ytterbium-doped fiber for high-power fiber laser oscillator | |
| Hu et al. | Raman suppression in 5 kW fiber amplifier using long period fiber grating fabricated by CO2 laser | |
| Zhan et al. | Pump-gain integrated functional laser fiber towards 10 kW-level high-power applications | |
| Zhang et al. | Fabrication and emission properties of Er3+/Yb3+ codoped tellurite glass fiber for broadband optical amplification | |
| CN111129938A (en) | Optical fiber laser, optical fiber for optical fiber laser, and method for manufacturing optical fiber for optical fiber laser | |
| Lin et al. | Fabrication and laser performance of cladding uniform core tapered fiber | |
| RU2674561C1 (en) | Active ytterbic cone optical fiber with fiber input of pump radiation and all-fiber scheme of amplifier | |
| Paul et al. | Development of nanoengineered thulium-doped fiber laser with low threshold pump power and tunable operating wavelength | |
| Hansen et al. | Airclad fiber laser technology | |
| CN106356702B (en) | Ultrashort pulse optical fiber amplifier | |
| KR102337546B1 (en) | Amplifier for fiber laser enabled by step-index large mode area fiber and ultrafast fiber laser comprising the same | |
| Wang et al. | All-glass high NA Yb-doped double-clad laser fibres made by outside-vapour deposition | |
| Supe et al. | Recent developments in cladding-pumped doped fiber amplifiers for telecommunications systems | |
| CA3081059A1 (en) | Pump reflectors for cladding-pumped optical fiber systems | |
| Bobkov et al. | MW peak power diffraction-limited chirped-pulse Yb-doped tapered fiber amplifier |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20201127 |