УЗКОПОЛОСНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ДЛИН ВОЛН

УЗКОПОЛОСНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ДЛИН ВОЛН


RU (11) 2269849 (13) C2

(51) МПК
H01S 3/067 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003130269/28 
(22) Дата подачи заявки: 2002.03.07 
(30) Приоритетные данные: 01106261.9 2001.03.14 EP 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.03.07 
(43) Дата публикации заявки: 2005.02.27 
(45) Опубликовано: 2006.02.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: EP 0784217A1, 16.07.1997.

US 4523315A, 11.06.1985.

RU 2152676 C1, 10.07.2000.

US 6041070A, 21.03.2000. 

US 5623508A, 22.04.1997.

EP 0189196A1, 30.07.1986. 
(72) Автор(ы): БОНАЧЧИНИ Доменико (DE); ХАККЕНБЕРГ Вольфганг (DE) 
(73) Патентообладатель(и): ОЙРОПЭИШЕ ОРГАНИЗАЦИОН ФЮР АСТРОНОМИШЕ ФОРШУНГ ИН ДЕР ЗЮДЛИХЕН ХЕМИСФЕРЕ (DE) 
(85) Дата соответствия ст.22/39 PCT: 2003.10.14 
(86) Номер и дата международной или региональной заявки: EP 02/02520 (07.03.2002) 
(87) Номер и дата международной или региональной публикации: WO 02/073754 (19.09.2002) 
Адрес для переписки: 129010, Москва, ул. Б. Спасская, 25, стр.3, ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры", пат.пов. Ю.Д.Кузнецову, рег.№ 595 

(54) УЗКОПОЛОСНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ДЛИН ВОЛН

Изобретение относится к способу получения волоконных резонирующих полостей для узкополосных волоконных лазеров большой мощности путем использования коротких волокон и подавления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Волоконный лазер содержит волоконный световод, лазер в качестве источника накачки, первую пару брэгговских решеток, вторую пару брэгговских решеток. Волоконный световод имеет активную среду. Первая пара брэгговских решеток образует первый резонатор. Вторая пара брэгговских решеток резонирует на выходной длине волны волоконного лазера. Технический результат - волоконный лазер относительно большой мощности и с малой шириной спектральных линий для расширенного диапазона длин волн в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, увеличение ширины области спектра генерации когерентного оптического излучения, доступной для рамановского волоконного лазера, увеличение усиления вынужденного рассеяния Рамана для получения большей мощности генерации когерентного оптического излучения от легированного волокна. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к способу получения волоконных резонирующих полостей для узкополосных волоконных лазеров большой мощности путем использования коротких волокон и подавления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

Кроме того, изобретение относится к применению вышеупомянутых резонаторных схем к рамановским (комбинационным) волоконным лазерам, загруженным водородом, что позволяет создать дополнительную возможность генерирования когерентного оптического излучения в расширенном диапазоне длин волн. Использование водорода в качестве рамановской среды волокон гарантирует наиболее широкий охват длин волн для заданного средства накачки лазера. 

Помимо этого, изобретение относится к производству многочастотных волоконных лазеров либо с единственным средством накачки, либо с несколькими средствами накачки.

Современные узкополосные твердотельные лазеры поставляются для работы только на весьма немногочисленных дискретных длинах волн для диапазонов мощности, представляющих интерес. Диодные лазеры могут формировать линии излучения лишь в узких окнах спектра ввиду их квантовой природы. 

Полезным способом получения длин волн когерентного оптического излучения, не достигаемых непосредственно диодными лазерами, является использование диодных лазеров в качестве средств накачки, обеспечивающих освещение среды, генерирующей в оптическом диапазоне. Спектры поглощения и флуоресценции среды, генерирующей в оптическом диапазоне, смещены по длине волны, так что энергия средства накачки поглощается, а затем вынужденно рассеивается на другой длине волны, определяемой полостью резонатора или лазером-источником в волоконном лазерном усилителе. КПД указанного процесса может достигать уровней 30-40%, значительно увеличиваясь, если среда, генерирующая в оптическом диапазоне, находится в резонирующей полости.

Материалы кристаллов лазерных усилителей, являясь либо основными, либо примесными в сердцевинах волокон, могут расширять охват длин волн мощных лазеров, но и в этом случае - лишь для немногочисленных и дискретных длин волн, связанных с атомными переходами элементов, генерирующих в оптическом диапазоне, как правило, ионов редкоземельных элементов, внедренных в среду-хозяина. 

В последние годы сердцевины волокон (одномодовых) волноводов нашли применение в качестве хозяев для материалов, излучающих в оптическом диапазоне. Использование волоконного волновода дает многочисленные преимущества, включая исключительно высокую концентрацию мощностей накачки. Например, незатухающая гармоническая волна (НГВ) при мощности накачки, равной 1 Вт, соответствует плотности 5 МВт/см2 в волокне сердцевины диаметром 5 микрон. 

Такая высокая концентрация позволяет очень эффективно эксплуатировать в волокне такие нелинейные эффекты, как вынужденный эффект Рамана, при этом из уровня техники известно о КПД преобразования в диапазоне 40-80%. При эффекте Рамана энергия фотонов лазеров накачки преобразуется в колебательные полосы атомов или молекул материала, излучающего в оптическом диапазоне. Спектр поглощения колебательных полос исключительно широк по сравнению обычными средами, генерирующими в оптическом диапазоне (у которых аналогичный спектр поглощения находится в диапазоне нанометров). Потеря энергии при возбуждении вибрационных полос затрачивается на фотоны накачки, которые придают длинам волн красное смещение. Если рамановская среда, генерирующая в оптическом диапазоне, представляет собой рамановский кристалл, вставленный в полость резонатора, имеющую свободное пространство, то значения ширины полосы линий излучения лазера определяются свойствами этой полости и в принципе на ширину спектральных линий нет ограничений. Однако среди других причин, ограничивающих достижение больших мощностей лазеров, необходимо отметить тепловые эффекты в рамановском кристалле, хотя в оптических волокнах такого ограничения нет. В последние годы разработаны германиево-силикатные рамановские волокна (которые целиком состоят из силиката германия или содержат его в качестве легирующей примеси), и в продаже уже появились широколинейчатые волоконные рамановские усилители, обеспечивающие увеличение мощности незатухающей гармонической волны в десятки раз для ближней инфракрасной области спектра. Уже продемонстрирована возможность использования водорода в качестве рамановской среды в свободном пространстве высококачественных полостей резонаторов, свободное пространство внутри которых находится под высоким давлением (100 бар).

Фундаментальная проблема рамановских волоконных лазеров заключается в том, что на их основе нельзя создать лазеры больших мощностей, имеющие малую ширину спектральных линий. Это действительно очень серьезное ограничение для коммерческого применения мощных волоконных лазеров. Широкополосные диодные лазеры накачки не представляют проблемы, а вот создание обеспечивающего малую ширину спектральных линий резонатора до создания этого изобретения было проблемой.

При малой ширине спектральных линий лазера в волоконном волноводе конкурирующий эффект, который может представлять собой вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) или стоячие акустические волны в стекле, отнимает энергию у фотонов лазера, создающих фононы. Стоячая волна формирует дифракционную решетку оптической точности, которая может весьма эффективно снижать мощность лазера в волокне на величину до 80%. Параметры, регулирующие эти нелинейные процессы вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и вынужденного рассеяния Рамана в волноводе, схожи: это эффективная длина волокна, диаметр которого обеспечивает нужное поле мод, и ширина спектральной линии. Волоконный резонатор, посылающий назад и вперед излучение лазера, увеличивает плотность энергии с коэффициентом, пропорциональным качеству полости резонатора. Рост плотности энергии увеличивает КПД процессов Рамана и Мандельштама-Бриллюэна. Поскольку ширина спектральных линий лазера является малой, процесс вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна становится очень эффективным, в типичном случае - в 100 раз более эффективным, чем рамановский процесс, и обычный волоконный лазер большой мощности с малой шириной спектральных линий становится неосуществимым. Это основная причина неудачи немногочисленных попыток создания соответствующих конструкций.

С другой стороны, если бы можно было производить твердотельные волоконные рамановские лазеры с малой шириной спектральных линий на основе рамановской среды, обеспечивающей широкий охват длин волн, то они обладали бы потенциалом почти полного охвата ширины полосы, даже при использовании уже существующих в настоящее время средств накачки на основе диодных лазеров.

Важно отметить, что нелинейные эффекты Рамана и Мандельштама-Бриллюэна характеризуются также смещением длин волн, которое они могут сообщать фотонам лазера. Этот эффект используется в предлагаемой новой конструкции волоконного резонаторного лазера для получения лазеров большой мощности с малой шириной спектральных линий и большим КПД преобразования.

Полость резонатора волоконного лазера можно изготавливать, например, путем формирования рисунка брэгговских решеток. Их формируют в стекле сердцевин волокон, и эти решетки в настоящее время позволяют производить полости резонаторов с исключительно высоким качеством и значениями ширины спектральных линий до 10 кГц. Точную настройку осуществляют путем растяжения периодов брегговских решеток на конце резонатора либо механическим, либо термическим способом. Можно настроить орган сервоуправления на эпорную длину волны, стабилизируя выходную частоту.

Для усовершенствования производства брегговских решеток волокна загружают водородом методом диффузии. Поясняя ниже один из пунктов формулы изобретения, авторы отмечают, что молекулы водорода в стекле ведут себя так, будто газ находится под высокими давлениями, очень сильно расширяя рамановский профиль. 

Из заявки ЕР 0784217 А1 на европейский патент известны рамановский волоконный лазер, излучающий на длинах волн 1,24 мкм и 1,48 мкм, и средства для увеличения КПД преобразования излучения при рассеянии Рамана (комбинационном рассеянии). Излучение лазера на длине волны 1,24 мкм обусловлено наличием источника накачки, в состав которого входят волоконный световод, содержащий P2О5 в количестве от 1 до 30 молярных процентов, части волоконного световода, содержащие GeO2 в количестве от 11 до 39 молярных процентов, и брегговские волоконно-оптические решетки. Решетка на стороне накачки образует выходной распределенный отражатель оптического резонатора для первой стоксовой компоненты. Вторая решетка образует выходной распределенный отражатель для того же резонатора. На выходе получается первая стоксова компонента. В рамановском волоконном лазере, излучающем на длине волны 1,48 мкм, формируется вторая стоксова компонента. Изменение показателя преломления в части волоконного световода достигается путем направления по нему лазерного излучения, имеющего длину волны от 270 до 390 нм, которое проходит через защитную полимерную оболочку волоконного световода.

Основными недостатками рамановского волоконного лазера, описанного в заявке ЕР 0784217 А1, являются, в частности, большая ширина спектральных линий и ограниченный охват длин волн, сводящийся к двум дискретным длинам волн. Кроме того, усиление второй и шестой стоксовых компонент является относительно малым ввиду низкого КПД рассеяния Рамана более высокого порядка, что приводит к низкому выделению энергии в лазере.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в обеспечении волоконного лазера относительно большой мощности и с малой шириной спектральных линий для расширенного диапазона длин волн в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы увеличить ширину области спектра генерации когерентного оптического излучения доступной для рамановского волоконного лазера, с обеспечением возможности излучения в многомодовом режиме на выходе лазера.

Еще одной задачей является увеличение усиления вынужденного рассеяния Рамана для получения большей мощности генерации когерентного оптического излучения от легированного волокна.

Эти задачи решаются с помощью волоконного лазера, содержащего волоконный световод (3), имеющий активную среду, лазер в качестве источника (1) накачки и первую пару брэгговских решеток (6, 8), образующих первый резонатор (4), при этом первая пара брэгговских решеток (6, 8) обеспечивает резонанс в лазере (1) накачки и предусмотрена вторая пара брэгговских решеток (7, 9), образующих второй резонатор (5) и резонирующих на выходной длине волны волоконного лазера, вследствие чего вторая пара брэгговских решеток (7, 9) является отражающей на стоксовых компонентах первого порядка рамановского рассеяния света, и пропускающей для компонент вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, так что компоненты вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна покидают второй резонатор (5) без резонанса или генерации когерентного оптического излучения.

При этом вторая пара брэгговских решеток резонирует на дополнительной выходной длине волны волоконного лазера.

Кроме того, в указанном волоконном лазере используется эффект Рамана, а вторая пара брэгговских решеток (7, 9) образует избирательно резонирующий резонатор (5), испускающий фотоны рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, рассеиваемые в массе материала волоконного световода (3).

А активная среда представляет собой легирующую примесь, содержащую молекулярный водород.

При этом в волоконном лазере каждый из резонаторов (4, 5), образованный парами брэгговских решеток (6, 8; 7, 9), расположен с обеспечением возможности настройки полости резонатора в волоконном световоде (3), принадлежащей каждому из резонаторов (4, 5), независимо от другой такой же полости.

При этом длина волоконного световода (3) находится в диапазоне между 10 и 100 метров, кроме того волокно может быть выполнено на основе кварцевого стекла.

Согласно второму аспекту изобретения предусмотрен рамановский волоконный лазер, содержащий волоконный световод (3), имеющий, по меньшей мере, одну легирующую примесь в качестве активной среды, лазер в качестве источника (1) накачки и первую пару брэгговских решеток (6, 8), образующих первый резонатор (4), при этом волоконный световод (3) содержит молекулярный водород в качестве легирующей примеси, при этом молекулярный водород загружен в волоконный световод (3) путем диффузии из атмосферы молекулярного водорода.

Кроме того, атмосфера молекулярного водорода для загрузки его в волоконный световод поддерживается под давлением больше или равно 100 бар, при этом волоконный световод (3) герметично изолирован внешним покрытием, выполненным из металла или углерода.

В рамановском волоконном лазере металлическое покрытие состоит из алюминия (Al) или меди (Cu) или золота (Au).

При этом первый резонатор (4), образованный первой парой брэгговских решеток (6, 8), обеспечивает резонанс в лазере (1) накачки.

Кроме того, этот рамановский волоконный лазер содержит вторую пару брэгговских решеток, выполненных как брэгговские решетки с избирательной отражательной способностью и образующих второй резонатор (5). 

При этом избирательный резонатор (5) обеспечивает резонанс фотонов вынужденного рамановского рассеяния, рассеянных в молекулах водорода в волоконном световоде (3).

А одна из брэгговских решеток (7, 9), образующая второй резонатор (5), выполнена в качестве выходного соединителя (9).

Согласно заявленному изобретению обеспечивают узкополосный рамановский мощный лазер, обеспечивающий выдачу большой энергии, с почти полным охватом длин волн в видимой или ближней инфракрасной части спектра.

Применения одночастотной части волоконного лазера (т.е. части, работающей на одной длине волны) согласно изобретению возможны, например, в спектроскопии, точной выборочной хирургии, средствах Laser Guide Stars для адаптивной оптики и в системах лидаров (метеорологических локаторов инфракрасного диапазона).

Легче понять изобретение можно, изучив прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показана диаграмма возможной области длин волн, охватываемой рамановским волоконным лазером, имеющим в спектре излучения стоксову компоненту 1-го порядка, в соответствии с изобретением.

На фиг.2 показан первый конкретный вариант осуществления рамановского волоконного лазера в соответствии с изобретением.

На фиг.3 показан второй конкретный вариант осуществления рамановского волоконного лазера в соответствии с изобретением.

На фиг.4 показан третий конкретный вариант осуществления рамановского волоконного лазера в соответствии с изобретением.

На фиг.1 показана схема видимой и ближней инфракрасных областей спектра с охватом длин волн водородного рамановского волоконного лазера в соответствии с изобретением. Длина волны задана в нанометрах. 

В верхней части диаграммы показаны спектральные линии наиболее типичных диодных лазеров накачки, предназначенных для накачки предлагаемого рамановского волоконного лазера. Каждая из спектральных линий принадлежит отличающемуся источнику накачки. С учетом удвоения частоты диапазон длин волн, охватываемый средствами накачки, составляет от 400 нм до 1700 нм.

В нижней части диаграммы показаны соответствующие подвергнутые красному смещению и расширенные спектральные линии предлагаемого загруженного водородом рамановского лазера, спектр излучения которого имеет стоксову компоненту 1-го порядка и который легирован молекулярным водородом под высоким давлением. Набор источников накачки не сводится к примерам, приведенным выше; при наличии подходящих средств накачки можно обеспечить охват всего диапазона длин волн.

Расширение и красное смещение спектральных линий на выходе обеспечиваются эффектом Рамана при взаимодействии с молекулярным водородом, легированным в волоконный световод. Водород можно загружать в волокно, например, посредством процесса диффузии в атмосфере H2 под давлением, которое превышает 100 бар. Молекулы водорода могут удерживаться в волокне постоянно посредством внешнего покрытия, предусматриваемого на волокне и образуемого слоем металла или углерода. С другой стороны, волокно можно удерживать в достаточно малой водородной ячейке, запаяв концы волокна в этой ячейке.

На фиг.2 показан первый конкретный вариант осуществления предлагаемого рамановского волоконного лазера, легированного Н2. Этот рамановский волоконный лазер содержит лазер 1 накачки с удвоенной частотой, излучающий на длине волны 947,2 нм. Источник накачки выполнен на основе кристалла неодима, накачиваемого диодным лазером. Изолятор 2 подает свет одной длины волны 473,6 нм в волоконный световод 3. Волоконный световод 3 представляет собой одномодовое волокно. Длина этого волокна составляет порядка 10-100 м, так что оно значительно короче, чем волокна обычных рамановских волоконных лазеров, длина которых достигает 1000 м и более.

Рамановский волоконный лазер также содержит два резонатора 4 и 5, каждый из которых состоит из первой брэгговской решетки 6 и 8 и второй брэгговской решетки 7 и 9, причем брэгговские решетки 6, 7 и 9 образуют отражатели с высокой степенью отражения для оптических резонаторов 4 и 5, тогда как брэгговская решетка 9 выполнена в качестве выходного соединителя.

В первом конкретном варианте осуществления предлагаемого рамановского волоконного лазера, показанном на фиг.2, требуемая длина волны, которая излучается выходном соединителе 9, соответствует спектральной линии D2 натрия при 589,0 нм.

В нижеследующей таблице приведен обзор признаков частей первого конкретного варианта осуществления рамановского волоконного лазера.

Средство накачки Длина волны (в воздухе) 473, 6 нм 
Мощность 15 Вт 
Ширина спектральной линии 1 нм 
Волокно, загруженное водородом Материал сердцевины Кварцевое стекло 
Диаметр поля мод 3,5 мкм 
Длина 12 м 
Сохранение поляризации Предусмотрено 
Брэгговские решетки 6 и 8 Длина волны в центре 473,6 нм 
Ширина полосы 1,0 нм 
Отражательная способность 99% 
Брэгговские решетки 7 и 9 Длина волны в центре 589,0 нм 
Ширина полосы 0,6 пм 
Отражательная способность 99% (сильный отражатель) 90% (выходной соединитель) 


Второй резонатор 5, состоящий из выходного соединителя 9 и сильного отражателя 7, резонирует усиление при красном смещении на первой стоксовой компоненте длины волны накачки при рамановском рассеянии. В соответствии с изобретением брэгговские решетки 7 и 9 являются отражающими на первой стоксовой компоненте света, подвергнутого рамановскому рассеиванию, и пропускающими для компонент рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Таким образом, на длине волны, соответствующей стоксовой компоненте рамановского рассеяния, осуществляется резонанс и начинается генерация когерентного оптического излучения, тогда как компоненты Мандельштама-Бриллюэна покидают резонатор без резонанса или генерации когерентного оптического излучения.

Это ключевой элемент части изобретения для узкополосных волоконных резонаторов большой мощности. Без этого ключевого элемента, усиление вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна превышает усиление вынужденного рассеяния Рамана, например, в кварцевом стекле примерно в 20 раз. Теперь же с помощью качественных бреэгговских решеток, разработанных в соответствии с изобретением, можно обеспечить увеличение усиления вынужденного рамановского рассеяния, превышающее усиление вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна с большими коэффициентами - до 104.

В этом конкретном примере постоянная усиления вынужденного рамановского рассеяния для кварцевого стекла, загруженного водородом, на длине волны 473,6 нм составляет gR,0=9·10-14 м/Вт. Постоянная усиления вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна на длине волны 589 нм составляет gB,0=5·10 -11 м/Вт для волокна из кварцевого стекла, в котором сохраняется поляризация, и узкополосного света накачки. Для ширины спектральной линии 0,5 ГГц на длине волны 589 нм постоянная усиления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна уменьшается с коэффициентом примерно 5. Таким образом, отношение gB,0/gR,0 в данном случае составляет примерно 100, и при этом вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна доминирует. Фотоны первой, соответствующие первой стоксовой компоненте вынужденного рамановского рассеяния, обеспечивают большую эффективную длину волокна, чем фотоны вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, причем это увеличение происходит с коэффициентом, пропорциональным качеству. Это происходит потому, что фотоны вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна не отражаются брэгговскими решетками, вследствие чего не происходит их резонанс. Это создает ситуацию, противоположную естественной ситуации, делая эффективное усиление вынужденного рамановского рассеяния больше, чем усиление вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Это обеспечивает работу волоконного лазера в узкой полосе с отдачей большой мощности.

Настройку и захват частоты лазера можно осуществить с помощью частотомеров или других датчиков частоты для возбуждения средств сервоуправления и захвата частоты генерации когерентного оптического излучения. Средство сервоуправления будет воздействовать, растягивая периоды брэгговских решеток либо термическим, либо механическим образом. Отметим, что эта схема является модульной и может быть распространена для многочастотных лазеров.

На фиг.3 показан второй конкретный вариант осуществления рамановского волоконного лазера в соответствии с изобретением. 

Цель второго конкретного варианта осуществления заключается в том, чтобы продемонстрировать, что для одной и той же выходной частоты можно выбрать разные схемы накачки, в зависимости от требуемых уровней выходной мощности.

Для накачки используется источник 1 накачки на основе инфракрасного диодного лазера, работающий на длине волны 792,0 нм. Излучение из источника накачки подается через изолятор 2 в одномодовый волоконный световод 3. Волокно может быть выполнено так же, как описано в первом конкретном варианте осуществления.

В рассматриваемом конкретном варианте осуществления предусмотрены два сплетенных резонатора 4 и 5, каждый из которых состоит из двух брэгговских решеток 6, 8 и 7, 9, причем первая брэгговская решетка 7 второго резонатора 5, которая обеспечивает резонанс на стоксовых составляющих, расположена между первой брэгговской решеткой 6 и второй брэгговской решеткой 8 резонатора 4 накачки.

Генератор 10 второй гармоники генерирует заданную длину волны 589,0 нм из рамановского лазера, спектр излучения которого содержит стоксову составляющую первого порядка, что обеспечивает резонанс на длине волны 1178,0 нм за счет использования дихроичного светоделителя 11. Между брэгговской решеткой 8 и генератором 10 второй гармоники необходима модосогласущая линза 12 для обработки лазерного луча.

На фиг.4 показан третий конкретный вариант осуществления рамановского волоконного лазера в соответствии с изобретением. Вместо одномодового волокна, легированного водородом, используется германиево-силикатный рамановский лазер с накачкой в инфракрасном диапазоне и согласованным удвоением частоты для длины волны 589,0 нм, в котором брэгговские решетки используются как в качестве для средства накачки, так и для формирования стоксовой волны первого порядка. В частности, источник 1 накачки может представлять собой волоконный лазер, легированный иттербием, излучающий на длине волны 1113,7 нм.

Основная конструкция рамановского лазера аналогична конструкции, описанной во втором конкретном варианте осуществления и показанной на фиг.3. Цель третьего конкретного варианта осуществления состоит в том, чтобы продемонстрировать гибкость предлагаемой схемы брэгговских решеток, которую можно использовать с различными легирующими примесями волокон для различных диапазонов длин волн накачки.

Изобретение не сводится к конкретным вариантам осуществления, описанным выше, и в качестве примера можно отметить, что оно также применимо к большему количеству брэгговских решеток, образующих дополнительные резонаторы для получения из одного волокна выходного сигнала, эквивалентного выходному сигналу многомодового лазера.

Фактически, признак достижения резонанса лишь на одной единственной длине волны можно также распространить на многочастотные лазерные резонаторы в одном и том же волокне. Этот подход реалистичен потому, что одномодовые волоконные резонаторы, по существу, можно ориентировать произвольно. Можно сформировать рисунки брэгговских отражателей для разных длин волн в разных участках одного и того же волокна, и при каждой геометрии брэгговских решеток будет осуществляться пропускание на резонансных длинах волн без отражения. Резонаторные полости будут иметь некоторую геометрию внешней оболочки и будут настраиваться каскадно путем термического или механического растяжения периодов брэгговских решеток. Придется использовать модульный алгоритм глобального управления, который распространен в теории сервоуправления для захвата частоты лазеров. 

Поскольку усиление вынужденного рамановского рассеяния при наличии водорода в стекле происходит в очень широких пределах, единственное средство накачки может обслуживать когерентное оптическое излучение на нескольких длинах волн в пределах профиля усиления вынужденного рамановского рассеяния. С другой стороны, также возможны многочастотные схемы накачки для расширения диапазонов спектральных линий, в которых происходит излучение.

Важными примерами приложений предлагаемого многомодового узкополосного волоконного лазера большой мощности можно найти в многомодовой спектроскопии, например при скрининге ДНК, когда необходимы лазеры, излучающие одновременно на четырех длинах волн видимой области спектра, или в телекоммуникациях, когда многочисленные каналы передачи большой мощности уменьшают сложность передатчика, или в индустрии крупных индикаторных табло, где требуется воспроизведение красного, зеленого и синего или эквивалентных цветов.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Волоконный лазер, содержащий волоконный световод (3), имеющий активную среду, лазер в качестве источника (1) накачки и первую пару брэгговских решеток (6, 8), образующих первый резонатор (4), отличающийся тем, что первая пара брэгговских решеток (6, 8) используется в качестве средства лазерной накачки и что предусмотрена вторая пара брэгговских решеток (7, 9), образующих второй резонатор (5) и резонирующих на выходной длине волны волоконного лазера, вследствие чего вторая пара брэгговских решеток (7, 9) является отражающей на стоксовых компонентах первого порядка рамановского рассеяния света и пропускающей для компонент вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна, так что компоненты вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна покидают второй резонатор (5) без резонанса или генерации когерентного оптического излучения.

2. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что вторая пара брэгговских решеток резонирует на дополнительной выходной длине волны волоконного лазера.

3. Волоконный лазер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в указанном волоконном лазере используется эффект Рамана, а вторая пара брегговских решеток (7, 9) образует избирательно резонирующий резонатор (5), отделяющий фотоны рассеяния Мандельштама - Бриллюэна, рассеиваемые в массе материала волоконного световода (3).

4. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что активная среда представляет собой легирующую примесь, содержащую молекулярный водород.

5. Волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что каждый из резонаторов (4, 5), образованный парами брэгговских решеток (6, 8; 7, 9), расположен с обеспечением возможности настройки полости волоконного световода (3), принадлежащей каждому из резонаторов (4, 5), независимо от другой такой же полости.

6. Волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что длина волоконного световода (3) находится в диапазоне между 10 и 100 м.

7. Волоконный лазер по п. 1, отличающийся тем, что волокно выполнено на основе кварцевого стекла.

8. Рамановский волоконный лазер, содержащий волоконный световод (3), имеющий, по меньшей мере, одну легирующую примесь в качестве активной среды, лазер в качестве источника (1) накачки и первую пару брэгговских решеток (6, 8), образующих первый резонатор (4), при этом первая пара брэгговских решеток используется в качестве средства лазерной накачки и при этом предусмотрена вторя пара брэгговских решеток, образующих второй резонатор и резонирующих на выходной длине волны волоконного лазера, вследствие чего вторая пара брэгговских решеток является отражающей на стоксовых компонентах первого порядка рамановского рассеяния света и пропускающей для компонент вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна так, что компоненты вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна покидают второй резонатор без резонанса или генерации когерентного оптического излучения, при этом волоконный световод (3) содержит молекулярный водород в качестве легирующей примеси и молекулярный водород загружен в волоконный световод путем диффузии из атмосферы молекулярного водорода.

9. Рамановский волоконный лазер по п. 8, отличающийся тем, что атмосфера молекулярного водорода для загрузки его в волоконный световод поддерживается под давлением больше или равно 100 бар.

10. Рамановский волоконный лазер по любому из пп. 8 и 9, отличающийся тем, что волоконный световод (3) герметично изолирован внешним покрытием, выполненным из металла или углерода.

11. Рамановский волоконный лазер по п. 10, отличающийся тем, что металлическое покрытие состоит из алюминия (Al), или меди (Cu), или золота (Au).

12. Рамановский волоконный лазер по п. 8, отличающийся тем, что первый резонатор (4) образован первой парой брэгговских решеток (6, 8), которая используется в качестве средства лазерной накачки.

13. Рамановский волоконный лазер по п. 12, отличающийся тем, что этот рамановский волоконный лазер содержит вторую пару брэгговских решеток, выполненных как брэгговские решетки с избирательной отражательной способностью и образующих второй резонатор (5). 

14. Рамановский волоконный лазер по п. 13, отличающийся тем, что избирательный резонатор (5) обеспечивает резонанс фотонов вынужденного рамановского рассеяния, рассеянных в молекулах водорода в волоконном световоде (3).

15. Рамановский волоконный лазер по п. 13 или 14, отличающийся тем, что одна из брэгговских решеток (7, 9), образующая второй резонатор (5), выполнена в качестве выходного соединителя (9).



ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru