Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к волоконным импульсным лазерам со сверхкороткой длительностью импульса, работающим на длине волны около 1 мкм.The invention relates to the field of quantum electronics, in particular to fiber pulsed lasers with an ultra-short pulse duration operating at a wavelength of about 1 μm.
Известен волоконный лазер, заявка WO 2010056920 (A1), содержащий легированное иттербием волокно, пассивные элементы с нормальной дисперсией групповой скорости, спектральный фильтр, позволяющий осуществить генерацию без компенсации нормальной дисперсии. Однако в данной заявке представлена не полностью волоконная схема резонатора, включающая распределенные элементы, что приводит к необходимости юстировки оптической схемы лазера и делает его зависимым от внешних условий.Known fiber laser, application WO 2010056920 (A1), containing ytterbium-doped fiber, passive elements with normal group velocity dispersion, a spectral filter that allows generation without compensation of normal dispersion. However, in this application, an incompletely fiber resonator circuit is presented, including distributed elements, which makes it necessary to align the laser optical circuit and makes it dependent on external conditions.
Известен полностью волоконный лазер с короткой длительностью импульса (статья Dirk Mortag et al. "Sub-80-fs pulses from an all-fiber-integrated dissipative-soliton laser at 1 µm" журнал Optics Express, Vol.19, No.2, p.546), содержащий легированное иттербием волокно. Схема волоконного лазера включает контроллеры поляризации, изолятор, волоконный разветвитель и сумматор для вывода излучения и оптической накачки. Однако в данной схеме лазера отсутствует самозапуск синхронизации мод, и для получения импульсного режима генерации необходимо настраивать контроллеры поляризации. Кроме этого, в схеме не предусмотрена поддержка стабильного состояния поляризации.Known fully fiber laser with a short pulse duration (article Dirk Mortag et al. "Sub-80-fs pulses from an all-fiber-integrated dissipative-soliton laser at 1 μm" Optics Express journal, Vol.19, No.2, p .546) containing ytterbium doped fiber. The fiber laser circuit includes polarization controllers, an isolator, a fiber splitter and an adder for outputting radiation and optical pumping. However, in this laser circuit there is no self-triggering of mode locking, and to obtain pulsed lasing, it is necessary to configure polarization controllers. In addition, the scheme does not provide support for a stable state of polarization.
Известен полностью волоконный лазер с синхронизацией мод на длине волны 1 мкм без компенсации дисперсии в резонаторе, заявка US 20110280263 (A1). Данный лазер содержит устройство для обеспечения режима самозапуска и синхронизации мод, выполненное как интегрированный в оптическое волокно пленочный насыщающийся поглотитель на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками. Такая конструкция не позволяет получить поляризованное изучение на выходе, что ограничивает ее дальнейшее применение.Known fully fiber laser with mode locking at a wavelength of 1 μm without dispersion compensation in the resonator, application US 20110280263 (A1). This laser contains a device for providing a self-starting and mode locking mode, made as a film-absorbing absorber integrated into an optical fiber based on a polymer composite with single-walled carbon nanotubes. This design does not allow to obtain a polarized study at the output, which limits its further application.
Задачей изобретения является создание полностью волоконного лазера, способного генерировать сверхкороткие импульсы на длине волны 1 мкм при стабильной поляризации излучения на выходе.The objective of the invention is to provide a fully fiber laser capable of generating ultrashort pulses at a wavelength of 1 μm with stable polarization of the radiation at the output.
Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса, содержащий последовательно установленные лазер накачки, модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное иттербием волокно, разветвитель, контроллер поляризации, устройство для обеспечения режима самозапуска и синхронизации мод, выполненное как интегрированный в оптическое волокно пленочный насыщающийся поглотитель на основе полимерного композита с одностенными углеродными нанотрубками, пленочный насыщающийся поглотитель и контроллер поляризации выполнены на одномодовом волокне, часть волоконного лазера, содержащая легированное иттербием волокно, модуль ввода излучения лазера накачки в активное волокно, изолятор-поляризатор, волоконный разветвитель, выполнена из одномодового волокна с поддержкой поляризации, пленочный насыщающийся поглотитель расположен на поверхности плоскости D-образно сполированной оболочки одномодового волокна, причем плоскость D-образно сполированной оболочки волокна выставлена так, чтобы поляризация проходящего излучения лежала в этой плоскости. То, что плоскость D-образно сполированной оболочки волокна с пленкой насыщающегося поглотителя выставлена так, чтобы поляризация проходящего излучения лежала в этой плоскости, обеспечивает максимальную эффективность взаимодействия излучения с пленочным насыщающимся поглотителем. При такой геометрии насыщающегося волоконного поглотителя интенсивность излучения, падающую на пленочный поглотитель, можно контролировать толщиной сполированной оболочки D-волокна, что позволяет получать импульсное излучение с относительно большими энергиями импульсов. Часть лазера, содержащая активное волокно, модуль ввода излучения лазера накачки в активное волокно, изолятор-поляризатор и волоконный разветвитель выполнены из одномодового волокна с поддержкой поляризации. Такое техническое решение позволяет получить импульсный режим генерации со стабильным состоянием поляризации излучения в полностью волоконной схеме лазера.A completely fiber laser with an ultrashort pulse duration, containing a sequentially installed pump laser, a module for inputting pump laser radiation into a ytterbium-doped fiber, a splitter, a polarization controller, a device for providing self-starting and mode locking, made as a film-absorbing absorber integrated into an optical fiber based on a polymer composite with single-walled carbon nanotubes, a film saturable absorber and a polarization controller in made on a single-mode fiber, part of the fiber laser containing ytterbium-doped fiber, module for injecting pump laser radiation into the active fiber, polarization insulator, fiber splitter, made of single-mode fiber with polarization support, a film-absorbing absorber located on the surface of the plane of the D-shaped polished shell single-mode fiber, and the plane of the D-shaped polished fiber sheath is exposed so that the polarization of the transmitted radiation lies in this plane. The fact that the plane of the D-shaped polished fiber sheath with the saturable absorber film is set so that the polarization of the transmitted radiation lies in this plane provides the maximum efficiency of radiation interaction with the saturable absorber film. With this geometry of a saturable fiber absorber, the radiation intensity incident on the film absorber can be controlled by the thickness of the polished shell of the D fiber, which allows one to obtain pulsed radiation with relatively high pulse energies. The part of the laser containing the active fiber, the input module of the pump laser radiation into the active fiber, the polarizer insulator and the fiber splitter are made of single-mode fiber with polarization support. Such a technical solution makes it possible to obtain a pulsed lasing regime with a stable state of radiation polarization in a fully fiber laser circuit.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание полностью волоконного лазера, способного генерировать импульсное поляризованное излучение с высокими энергиями импульса на длине волны около 1 мкм, эффективного, способного работать длительное время.The technical result of the proposed technical solution is the creation of a fully fiber laser capable of generating pulsed polarized radiation with high pulse energies at a wavelength of about 1 μm, effective, capable of working for a long time.
На чертеже представлена схема волоконного лазера со сверхкороткой длительностью импульса.The drawing shows a diagram of a fiber laser with an ultrashort pulse duration.
На чертеже легированное иттербием волокно 2, разветвитель 3, пленка насыщающегося поглотителя 7, контроллер поляризации 6, изолятор-поляризатор 4, модуль ввода 5 излучения от лазерного диода накачки 1 образуют кольцевой волоконный резонатор. На участке, содержащем контроллер поляризации 6 и насыщающийся поглотитель 7, использовано обычное одномодовое волокно. Остальная часть резонатора, содержащая изолятор-поляризатор 4, модуль ввода 5, легированное иттербием волокно 2, разветвитель 3, выполнена из одномодового волокна с поддержкой поляризации типа PANDA. Все элементы волоконные и имеют нормальную дисперсию групповой скорости.In the drawing, ytterbium-doped fiber 2, a splitter 3, a saturable absorber film 7, a polarization controller 6, an insulator-polarizer 4, an input module 5 of radiation from a laser pump diode 1 form a ring fiber resonator. In the area containing the polarization controller 6 and the saturable absorber 7, a conventional single-mode fiber was used. The rest of the cavity, containing the polarization insulator 4, input module 5, ytterbium-doped fiber 2, splitter 3, is made of single-mode fiber with support for PANDA type polarization. All elements are fiber and have a normal group velocity dispersion.
При включении лазерного диода накачки 1 излучение от диода через модуль ввода 5 попадает в кольцевой волоконный резонатор. При средней мощности накачки чуть выше порога лазер излучает в режиме свободной генерации. При дальнейшем увеличении мощности накачки лазер самостоятельно переходит в режим генерации сильно-чирпованных импульсов пикосекундной длительности. Средняя мощность излучения в стабильном импульсном режиме генерации составляла 160 мДж при частоте следования импульсов 16.7 МГц, что соответствует энергии одиночного импулься в 10 нДж. Пленочный насыщающийся поглотитель, установленный на поверхности с одной стороны сполированного волокна, является поляризационно-чувствительным элементом. Эффективность поглощения максимальна для излучения с вектором поляризации, лежащим в плоскости пленки поглотителя или в плоскости сполированной поверхности оптического волокна. Стабильное состояние поляризации излучения обеспечивают одномодовые волокна с поддержкой поляризации типа PANDA. Изолятор-поляризатор 4 обеспечивает однонаправленную генерацию с определенным состоянием поляризации излучения вдоль быстрой или вдоль медленной оси волокна с поддержкой поляризации. Насыщающийся поглотитель 7 установлен так, чтобы вектор поляризации был направлен вдоль сполированной поверхности, и обеспечивает режим самозапуска и синхронизации мод. Обычное одномодовое волокно на участке резонатора, содержащем насыщающийся поглотитель 7 и контроллер поляризации 6, обеспечивает режим дополнительной синхронизации мод на эффекте нелинейной эволюции поляризации. Это позволяет получить стабильную синхронизацию мод, когда лазер уже перешел в режим генерации сверхкоротких импульсов. После выхода из резонатора пикосекундный импульс может быть сжат до длительности в 140 фс с использованием компрессора на дифракционных решетках.When you turn on the laser pump diode 1, the radiation from the diode through the input module 5 enters the ring fiber resonator. At an average pump power just above the threshold, the laser emits in the free-running mode. With a further increase in the pump power, the laser switches to the generation of strongly chirped pulses of picosecond duration on their own. The average radiation power in the stable pulsed generation mode was 160 mJ at a pulse repetition rate of 16.7 MHz, which corresponds to a single pulse energy of 10 nJ. A saturable film absorber mounted on a surface on one side of a polished fiber is a polarization sensitive element. The absorption efficiency is maximum for radiation with a polarization vector lying in the plane of the absorber film or in the plane of the polished surface of the optical fiber. A stable state of radiation polarization is provided by single-mode fibers with support for PANDA type polarization. The polarizer insulator 4 provides unidirectional generation with a certain state of radiation polarization along the fast or along the slow axis of the fiber with polarization support. The saturable absorber 7 is installed so that the polarization vector is directed along the polished surface, and provides a mode of self-start and mode synchronization. A conventional single-mode fiber in a cavity section containing a saturable absorber 7 and a polarization controller 6 provides an additional mode synchronization mode based on the effect of nonlinear polarization evolution. This allows one to obtain stable mode locking when the laser has already switched to ultrashort pulse generation mode. After exiting the resonator, the picosecond pulse can be compressed to a duration of 140 fs using a diffraction grating compressor.