RU2664758C1 - Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation - Google Patents

Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2664758C1
RU2664758C1 RU2017128973A RU2017128973A RU2664758C1 RU 2664758 C1 RU2664758 C1 RU 2664758C1 RU 2017128973 A RU2017128973 A RU 2017128973A RU 2017128973 A RU2017128973 A RU 2017128973A RU 2664758 C1 RU2664758 C1 RU 2664758C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
base
narrow
fiber laser
temperature
heating element
Prior art date
Application number
RU2017128973A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Анатольевич Колегов
Глеб Станиславович Софиенко
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2017128973A priority Critical patent/RU2664758C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2664758C1 publication Critical patent/RU2664758C1/en

Links

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
    • H01S3/06791—Fibre ring lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to laser equipment. Method for stabilizing the wavelength of a narrow-band fiber laser is to suppress the emerging mode hopping, leveling the rate of change of the natural frequency of the ring resonator of a narrow-band fiber laser and the central reflection frequency of the fiber Bragg grating, by thermostating the base of a narrow-band fiber laser with a heating element at a temperature of the base of an annular fiber laser above ambient temperature, while heating of the base is carried out unevenly with decreasing temperature from the center to the periphery of the base, determining the temperature distribution along the surface of base 1 from the mathematical relationship, and cooling of the base of the narrow-band fiber laser is performed through an air-cooled radiator. Device implementing this method comprises an active fiber, a cooling radiator, a Bragg grating and a heating element with axially aligned thermostat adjacent to the heating element, and the base, with the active fiber placed on it, and installed between the heating element and the Bragg grating, bordering the cooling radiator, the heating element being mounted with the possibility of uneven heating of the base with decreasing temperature from the center to the periphery of the base.
EFFECT: method for stabilizing the wavelength of a narrow-band fiber laser is proposed.
3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к приборам для генерации с использованием стимулированного излучения когерентных электромагнитных волн и может быть использовано в квантовых устройствах для генерирования, стабилизации, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, а именно к узкополосным волоконным лазерам, а, более конкретно, может быть использовано для таких приложений как когерентные оптические датчики, спектрометры высокого разрешения, источники излучения в прецизионных физических экспериментах, ЛИДАР, для интерферометрических комплексов PDV (Photonic Doppler Velocimetry) и других приложений, где необходима большая длина когерентности и высокая стабильность длины волны генерации.The invention relates to devices for generation using stimulated emission of coherent electromagnetic waves and can be used in quantum devices for generating, stabilizing, modulating, demodulating or frequency conversion using stimulated radiation in the infrared region of the spectrum, namely, narrow-band fiber lasers, and more specifically, it can be used for applications such as coherent optical sensors, high resolution spectrometers, radiation sources in isionic physical experiments, LIDAR, for PDV (Photonic Doppler Velocimetry) interferometric complexes and other applications where a large coherence length and high generation wavelength stability are required.

Узкополосные волоконные лазеры отличаются от других типов волоконных лазеров узкой шириной спектральной линии, которая обычно составляет менее 1 кГц. Режим бегущей волны в кольцевом однонаправленном лазере позволяет избежать эффекта выжигания пространственных дыр в активной среде лазера, что обеспечивает узкую ширину спектральной линии излучения лазера. Одним из недостатков таких лазеров является большая длина резонатора, которая составляет обычно более 5 м, что делает такой лазер чувствительным к температурному дрейфу.Narrow-band fiber lasers differ from other types of fiber lasers in a narrow spectral line width, which is usually less than 1 kHz. The traveling wave mode in a ring unidirectional laser avoids the effect of burning out spatial holes in the active medium of the laser, which provides a narrow width of the spectral line of laser radiation. One of the disadvantages of such lasers is the large cavity length, which is usually more than 5 m, which makes such a laser sensitive to temperature drift.

Длина волны генерации в узкополосном волоконном лазере с насыщающим поглотителем и брэгговской решеткой в качестве фильтрующего элемента определяется центральной длиной волны отражения Брэгговской решетки и собственной частотой кольцевого резонатора лазера.The generation wavelength in a narrow-band fiber laser with a saturable absorber and a Bragg grating as a filter element is determined by the central reflection wavelength of the Bragg grating and the natural frequency of the laser ring resonator.

Изменение температуры лазера, вследствие теплового дрейфа в корпусе устройства приводит к изменению оптической длины волокна в кольцевом резонаторе.A change in the laser temperature, due to thermal drift in the device case, leads to a change in the optical fiber length in the ring resonator.

Различные свойства кварцевых волокон, используемых при сборке лазера (активное волокно, транспортное волокно, волокно, применяемое при изготовлении Брэгговской решетки), приводят к рассогласованному изменению собственной частоты кольцевого резонатора и центральной частоты отражения Брэгговской решетки при изменении температуры лазера.The various properties of the quartz fibers used in the assembly of the laser (active fiber, transport fiber, fiber used in the manufacture of the Bragg grating) lead to a mismatch in the natural frequency of the ring resonator and the central reflection frequency of the Bragg grating with changing laser temperature.

При изменении температуры на 1°C, длине кольцевого резонатора 10 м, длине волны генерации 1.55 мкм, коэффициенте преломления кварца n=1.468, изменение собственной частоты кольцевого резонатора составит:When the temperature changes by 1 ° C, the length of the ring resonator is 10 m, the generation wavelength is 1.55 μm, the refractive index of quartz is n = 1.468, the change in the natural frequency of the ring resonator will be:

Figure 00000001
.
Figure 00000001
.

Изменение температуры на один градус приводит к рассогласованию резонансной частоты лазера и частоты отражения Брэгговской решетки на величину

Figure 00000002
.A change in temperature by one degree leads to a mismatch of the resonant frequency of the laser and the reflection frequency of the Bragg grating by
Figure 00000002
.

Рассогласование резонансной частоты и центральной частоты отражения Брэгговской решетки при изменении температуры приводит к модовой перестройке в лазере.The mismatch of the resonant frequency and the central reflection frequency of the Bragg grating with temperature changes leads to mode tuning in the laser.

Известен способ компенсации теплового расширения волокна, основывающийся на его изготовлении из композитных материалов, имеющих отрицательные коэффициенты теплового расширения [Патент США US 006449293 B1 Temperature stabilization of optical waveguides; Патент США US 20040252387 A1 Temperature insensitive Mach-Zehnder interferometers and devices]. К недостаткам этого способа относится необходимость использования композитных материалов при изготовлении волокна, что является сложным технологическим процессом и ограничивает возможность использования стандартных волокон, существующих на рынке.A known method of compensating for the thermal expansion of a fiber based on its manufacture from composite materials having negative coefficients of thermal expansion [US Patent US 006449293 B1 Temperature stabilization of optical waveguides; US Patent US20040252387 A1 Temperature insensitive Mach-Zehnder interferometers and devices]. The disadvantages of this method include the need to use composite materials in the manufacture of fibers, which is a complex process and limits the ability to use standard fibers existing on the market.

Существуют активные методы стабилизации длины волокна при тепловом расширении [Masato Yoshida, Keisuke Kasai, Masataka Nakazawa. Mode-Hop-Free, Optical Frequency Tunable 40-GHz Mode-Locked Fiber Laser // IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2007, VOL. 43, NO. 8, p. 704-708], которые основываются на компенсации длины волокна с помощью пьезоэлектрических элементов. К недостаткам таких методов относится необходимость использования дополнительных элементов (платы управления, пьезоэлектрические элементы), которые увеличивают массогабаритные характеристики лазера.There are active methods for stabilizing fiber length during thermal expansion [Masato Yoshida, Keisuke Kasai, Masataka Nakazawa. Mode-Hop-Free, Optical Frequency Tunable 40-GHz Mode-Locked Fiber Laser // IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2007, VOL. 43, NO. 8, p. 704-708], which are based on compensation of the length of the fiber using piezoelectric elements. The disadvantages of such methods include the need to use additional elements (control boards, piezoelectric elements), which increase the overall dimensions of the laser.

Ближайшего аналога к заявляемому способу, выбранного в качестве прототипа, в известном уровне техники не обнаружено.The closest analogue to the claimed method, selected as a prototype, is not found in the prior art.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте на полезную модель №112520, опубл. 10.01.2012 г., МПК H01S 3/067, под названием «Волоконный лазер», содержащее активное волокно, радиатор охлаждения, брэгговскую решетку и нагревательный элемент.The closest in technical essence to the invention and selected as a prototype of the device is the technical solution described in the patent for utility model No. 112520, publ. 01/10/2012, IPC H01S 3/067, called “Fiber Laser”, containing an active fiber, a cooling radiator, a Bragg grating and a heating element.

К недостаткам этого устройства следует отнести наличие теплового расширения активного волокна, сложность стабилизации длины волны и предотвращения модового перескока.The disadvantages of this device include the presence of thermal expansion of the active fiber, the difficulty of stabilizing the wavelength and preventing mode hopping.

Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей, а именно повышение стабильности работы узкополосного волоконного лазера при изменении температуры окружающей среды, работающего в непрерывном режиме с шириной спектра генерации менее 20 кГц.The objective of the present invention is to improve operational capabilities, namely increasing the stability of a narrow-band fiber laser when the ambient temperature changes, operating in continuous mode with a generation spectrum width of less than 20 kHz.

Технический результат, заключается в том, что удалось выровнять скорости теплового изменения собственной частоты кольцевого резонатора узкополосного волоконного лазера и максимума частоты отражения брэгговской решетки в узкополосном волоконном лазере за счет подавления модовой перестройки в нем.The technical result is that it was possible to equalize the rate of thermal change in the natural frequency of the ring resonator of a narrow-band fiber laser and the maximum reflection frequency of the Bragg grating in a narrow-band fiber laser by suppressing mode tuning in it.

Это достигается тем, что в способе стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера, заключающемся в том, что подавляют возникающий модовый перескок, выравнивая скорости изменения собственной частоты кольцевого резонатора узкополосного волоконного лазера и центральной частоты отражения волоконной брегговской решетки, термостатируя основание узкополосного волоконного лазера нагревательным элементом при температуре корпуса узкополосного волоконного лазера выше температуры окружающей среды, при этом нагрев основания узкополосного волоконного лазера осуществляют неравномерно с уменьшением температуры от центра к периферии основания, определяя распределение температуры по поверхности основания узкополосного волоконного лазера из соотношенияThis is achieved by the fact that in the method of stabilizing the wavelength of a narrow-band fiber laser, which suppresses the arising mode hop, equalizing the rate of change of the natural frequency of the ring resonator of the narrow-band fiber laser and the central reflection frequency of the fiber Bragg grating, thermostating the base of the narrow-band fiber laser by a heating element at the temperature of the narrow-band fiber laser housing is higher than the ambient temperature, while heating the base is narrow band-pass fiber laser is carried out unevenly with decreasing temperature from the center to the periphery of the base, determining the temperature distribution over the surface of the base of the narrow-band fiber laser from the ratio

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

q - мощность нагревательного элемента;q is the power of the heating element;

b=2α/cpδ - коэффициент температуроотдачи;b = 2α / c p δ is the coefficient of temperature transfer;

α - коэффициент поверхностной теплоотдачи;α is the coefficient of surface heat transfer;

cp - удельная объемная теплоемкость;c p is the specific volumetric heat capacity;

δ - толщина основания узкополосного волоконного лазера;δ is the thickness of the base of a narrow-band fiber laser;

λ - коэффициент теплопроводности металла;λ is the thermal conductivity of the metal;

а - коэффициент температуропроводности металла; a is the thermal diffusivity of the metal;

K0 - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка;K 0 - Bessel function of the first kind of zero order;

r2=x2+у2 - точка расчета температуры на поверхности, а охлаждение основания производят через радиатор с воздушным охлаждением.r 2 = x 2 + y 2 is the point of calculating the temperature on the surface, and the cooling of the base is carried out through an air-cooled radiator.

Кроме того, в способе стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера используют нагревательный элемент с пропорциональным, интегральным, дифференциальным регулятором.In addition, in the method of stabilizing the wavelength of a narrow-band fiber laser, a heating element with a proportional, integral, differential controller is used.

А также это достигается тем, что узкополосный волоконный лазер, содержащий активное волокно, радиатор охлаждения, волоконную брэгтовскую решетку и нагревательный элемент, согласно изобретению, снабжен, расположенными по одной оси, термостатом, граничащим нагревательным элементом, и основанием, с размещенным на нем активным волокном, и установленным между нагревательным элементом и брэгговской решеткой, граничащей с радиатором охлаждения, при этом нагревательный элемент установлен с возможностью неравномерного нагрева основания с уменьшением температуры от центра к периферии основания, согласно соотношениюAnd this is also achieved by the fact that a narrow-band fiber laser containing an active fiber, a cooling radiator, a fiber Bragg grating and a heating element, according to the invention, is provided with, on one axis, a thermostat bordering the heating element and a base with active fiber placed on it installed between the heating element and the Bragg grate adjacent to the cooling radiator, while the heating element is installed with the possibility of uneven heating of the base with the mind lowering the temperature from the center to the periphery of the base, according to the ratio

Figure 00000004
Figure 00000004

гдеWhere

q - мощность нагревательного элемента;q is the power of the heating element;

b=2α/срδ - коэффициент температуроотдачи;b = 2α / s p δ - coefficient of temperature transfer;

α - коэффициент поверхностной теплоотдачи;α is the coefficient of surface heat transfer;

cp - удельная объемная теплоемкость;c p is the specific volumetric heat capacity;

δ - толщина основания узкополосного волоконного лазера;δ is the thickness of the base of a narrow-band fiber laser;

λ - коэффициент теплопроводности металла;λ is the thermal conductivity of the metal;

а - коэффициент температуропроводности металла; a is the thermal diffusivity of the metal;

K0 - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка;K 0 - Bessel function of the first kind of zero order;

r2=x2+у2 - точка расчета температуры на поверхности.r 2 = x 2 + y 2 - the point of calculation of temperature on the surface.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от близкого по технической сущности изобретения, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».The presence in the claimed invention of the features that distinguish it from a close technical essence of the invention, allows us to consider it appropriate to the condition of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.In order to verify the conformity of the claimed invention with the condition of inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow the prior art.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step".

Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:The proposed technical solution is illustrated in the following drawings:

на фиг. 1 представлена предлагаемая конструкция узкополосного волоконного лазера;in FIG. 1 shows the proposed design of a narrow-band fiber laser;

на фиг. 2 представлена схема проведения оценочного расчета температурного поля на поверхности основания узкополосного волоконного лазера;in FIG. 2 is a diagram of an estimated calculation of the temperature field on the base surface of a narrow-band fiber laser;

на фиг. 3 представлено расчетное распределение температуры по поверхности основания узкополосного волоконного лазера примера конкретного выполнения;in FIG. 3 shows the calculated temperature distribution over the base surface of a narrow-band fiber laser of an example of a specific embodiment;

на фиг. 4 представлено расчетное распределение температуры по поверхности основания узкополосного волоконного лазера;in FIG. 4 shows the calculated temperature distribution over the base surface of a narrow-band fiber laser;

на фиг. 5 представлена стабильность длины волны генерации узкополосного волоконного лазера при изменении температуры основания узкополосного волоконного лазера:in FIG. 5 shows the stability of the generation wavelength of a narrow-band fiber laser when the base temperature of a narrow-band fiber laser changes:

на фиг. 6 представлена долговременная стабильность длины волны генерации узкополосного волоконного лазера и график зависимости температуры основания узкополосного волоконного лазера во время измерения при принудительной перестройке.in FIG. Figure 6 shows the long-term stability of the generation wavelength of a narrow-band fiber laser and a graph of the temperature dependence of the base of a narrow-band fiber laser during measurement during forced tuning.

На чертежах введены следующие обозначения:The following notation is introduced in the drawings:

1 - основание узкополосного волоконного лазера;1 - the base of a narrow-band fiber laser;

2 - активное волокно;2 - active fiber;

3 - нагревательный элемент;3 - heating element;

4 - термостат;4 - thermostat;

5 - волоконная брэгговская решетка;5 - fiber Bragg grating;

6 - радиатор охлаждения.6 - cooling radiator.

Устройство (см. фиг. 1), реализующее данный способ, содержит активное волокно 2, радиатор охлаждения 6, волоконную брэгговскую решетку 5 и нагревательный элемент 3, с расположенными по одной оси, термостатом 4, граничащим с нагревательным элементом 3, и основанием 1, с размещенным на нем активным волокном 2, и установленным между нагревательным элементом 3 и волоконной брэгговской решеткой 5, граничащей с радиатором охлаждения 6, при этом нагревательный элемент 3 установлен с возможностью неравномерного нагрева основания 1 с уменьшением температуры от центра к периферии основания 1.A device (see Fig. 1) that implements this method comprises an active fiber 2, a cooling radiator 6, a fiber Bragg grating 5 and a heating element 3, with thermostat 4 located on one axis adjacent to the heating element 3, and the base 1, with active fiber 2 placed on it, and installed between the heating element 3 and the fiber Bragg grating 5 adjacent to the cooling radiator 6, while the heating element 3 is installed with the possibility of uneven heating of the base 1 with decreasing temperature ry from the center to the periphery of the base 1.

В рассматриваемой конструкции осуществляется термостатирование основания 1 узкополосного волоконного лазера. Термостатирование осуществляется нагревательным элементом 3 с пропорциональным, интегральным, дифференциальным (ПИД) регулятором при температуре основания 1 узкополосного волоконного лазера выше температуры окружающей среды. Охлаждение основания 1 узкополосного волоконного лазера осуществляется через радиатор 6 с воздушным охлаждением. В рассматриваемой конструкции (фиг. 1) при изменении мощности в нагревательном элементе 3 происходит изменение температуры активного волокна 2 узкополосного волоконного лазера и температуры волоконной брэгговской решетки 5, при этом изменение температуры в центре термостатируемого основания 1 узкополосного волоконного лазера и изменение температуры по краям основания 1 узкополосного волоконного лазера будут различны.In this design, the base 1 of a narrow-band fiber laser is thermostated. Thermostating is carried out by a heating element 3 with a proportional, integral, differential (PID) controller at a base temperature of 1 narrow-band fiber laser above ambient temperature. The cooling of the base 1 of a narrow-band fiber laser is carried out through an air-cooled radiator 6. In the structure under consideration (Fig. 1), when the power in the heating element 3 changes, the temperature of the active fiber 2 of the narrow-band fiber laser and the temperature of the fiber Bragg grating 5 change, the temperature in the center of the thermostatically controlled base 1 of the narrow-band fiber laser and the temperature at the edges of the base 1 narrowband fiber laser will be different.

Описание принципа работы.Description of the principle of work.

Для проверки предлагаемого технического решения и оценки геометрии лазера с термостатируемым основанием 1 узкополосного волоконного лазера был проведен тепловой расчет рассматриваемой конструкции (фиг. 1). Точный расчет термостатируемых систем сложная и многопараметрическая задача. Рассматриваемую конструкцию (фиг. 1) можно свести к упрощенному случаю стационарного переноса теплового потока в слое материала от нагревательного элемент 3. Перенос тепла осуществляется от нагревательного элемента 3 мощностью qи через основание 1 узкополосного волоконного лазера толщиной δ. Граничные плоскости z=0 и z=δ отдают теплоту в окружающую среду за счет конвекции с коэффициентом теплоотдачи α. Задача сводится к нахождению распределения температуры T=f(x) на поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера в центрально симметричном относительно нагревательного элемента 3 случае. Процесс распространения тепла в основании 1 узкополосного волоконного лазера с поверхностной теплоотдачей описывается выражением:To verify the proposed technical solution and evaluate the geometry of the laser with a thermostatically controlled base 1 of a narrow-band fiber laser, a thermal calculation of the structure under consideration was carried out (Fig. 1). Accurate calculation of thermostatically controlled systems is a complex and multi-parameter task. The structure under consideration (Fig. 1) can be reduced to the simplified case of stationary heat transfer in the material layer from the heating element 3. Heat is transferred from the heating element 3 with a power of q and through the base 1 of a narrow-band fiber laser with a thickness of δ. The boundary planes z = 0 and z = δ give off heat to the environment due to convection with a heat transfer coefficient α. The problem boils down to finding the temperature distribution T = f (x) on the surface of the base 1 of a narrow-band fiber laser in a case that is centrally symmetrical with respect to the heating element 3. The heat propagation process at the base of 1 narrow-band fiber laser with surface heat transfer is described by the expression:

Figure 00000005
Figure 00000005

где b=2α/cpδ - коэффициент температуроотдачи [1/с];where b = 2α / cpδ is the coefficient of temperature transfer [1 / s];

α - коэффициент поверхностной теплоотдачи [Дж/м2⋅с⋅град];α is the coefficient of surface heat transfer [J / m 2 ⋅ s⋅grad];

ср - удельная объемная теплоемкость [Дж/м3⋅град];cf - specific volumetric heat capacity [J / m 3 ⋅ deg];

δ - толщина основания 1 узкополосного волоконного лазера [см];δ is the thickness of the base 1 of a narrow-band fiber laser [cm];

λ - коэффициент теплопроводности металла [Дж/м⋅с⋅град];λ is the thermal conductivity of the metal [J / m /s⋅grad];

а - коэффициент температуропроводности металла [м2/с]. a is the thermal diffusivity of the metal [m 2 / s].

Уравнение содержит множитель e-bt, который учитывает теплоотдачу в окружающее пространство. Приращение температуры в точке А от мгновенного источника тепла составит:The equation contains the factor e -bt , which takes into account the heat transfer to the surrounding space. The temperature increment at point A from an instant heat source will be:

Figure 00000006
Figure 00000006

Интегрируя от 0 до tH и преобразовывая, получим:Integrating from 0 to t H and transforming, we get:

Figure 00000007
Figure 00000007

где r2 = x2+у2.where r 2 = x 2 + y 2 .

Уравнение (3) выражает приращение температуры в основании 1 узкополосного волоконного лазера в стадии теплонасыщения. Предельное квазистационарное состояние достигается при tн-→∞. В этом случае уравнение (3) интегрируется и принимает вид:Equation (3) expresses the temperature increment at the base of 1 narrow-band fiber laser in the heat saturation stage. The ultimate quasistationary state is reached as t n - → ∞. In this case, equation (3) is integrated and takes the form:

Figure 00000008
Figure 00000008

где K0 - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка.where K 0 is the first-order Bessel function of the first kind.

Распределение температуры по поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера (алюминиевой пластины), вычисленное по зависимости (4) представлено на фиг. 3. Расчет проводился для основания 1 узкополосного волоконного лазера (алюминиевой пластины) толщиной 3 мм при мощности нагревательного элемента 3: q - 5 Вт.The temperature distribution over the surface of the base 1 of a narrow-band fiber laser (aluminum plate), calculated from dependence (4), is shown in FIG. 3. The calculation was carried out for the base 1 of a narrow-band fiber laser (aluminum plate) with a thickness of 3 mm with a heating element power of 3: q - 5 W.

Изменение температуры по поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера линейно зависит от мощности нагревательного элемента 3 (см. зависимость (4)). В рассматриваемом случае для выравнивания скоростей теплового смещения частот необходимо выбрать геометрию основания 1 узкополосного волоконного лазера (толщину, материал, эффективность теплоотвода), и расстояние от центра основания 1 узкополосного волоконного лазера до места расположения активного волокна 2, при которых перепад температур в центре (месте расположения волоконной брегговской решетки 5) и по краям основания 1 узкополосного волоконного лазера (месте расположения активного волокна 2) соответствовал:The temperature change along the surface of the base 1 of a narrow-band fiber laser linearly depends on the power of the heating element 3 (see dependence (4)). In the case under consideration, to equalize the frequencies of thermal frequency shift, it is necessary to choose the geometry of the base 1 of a narrow-band fiber laser (thickness, material, heat removal efficiency), and the distance from the center of the base 1 of a narrow-band fiber laser to the location of the active fiber 2, at which the temperature difference in the center (location the location of the fiber Bragg grating 5) and along the edges of the base 1 of a narrow-band fiber laser (the location of the active fiber 2) corresponded to:

Figure 00000009
Figure 00000009

Для рассматриваемой геометрии лазера Δfpeз/Δfреш=1.24, соответствующее расстояние R от центра основания 1 узкополосного волоконного лазера до места укладки активного волокна 2 лазера в соответствии с графиком (фиг. 3) составит 1.12/1.14=60 мм.For the considered geometry laser pez Δf / Δf dec = 1.24, corresponding to a distance R from the center of the base 1 narrowband fiber laser to the place of laying the active fiber of the laser 2 in accordance with the schedule (Fig. 3) would be 1.12 / 1.14 = 60 mm.

На фиг. 4, для наглядности, представлены распределения температуры по поверхности основания 1 узкополосного волоконного лазера, например алюминиевой пластины толщиной 3 мм, с разными мощностями нагревательного элемента 3. Зависимости показывают, что при изменении мощности нагревательного элемента 3 изменение температуры в центре основания 1 узкополосного волоконного лазера (x=0, место расположения волоконной брэгговской решетки 5) будет в 1.14 раза больше, чем по радиусу на расстоянии x=60 мм (место расположения активного волокна 2 лазера). Таким образом, для рассматриваемой конструкции осуществляется выравнивание температурных скоростей смещения частоты волоконной брэгговской решетки и резонансной частоты лазера.In FIG. 4, for clarity, temperature distributions over the surface of the base 1 of a narrow-band fiber laser, for example, an aluminum plate with a thickness of 3 mm, with different powers of the heating element 3 are presented. The dependences show that when the power of the heating element 3 changes, the temperature in the center of the base 1 of the narrow-band fiber laser ( x = 0, the location of the fiber Bragg grating 5) will be 1.14 times larger than the radius at a distance x = 60 mm (the location of the active fiber 2 of the laser). Thus, for the design under consideration, the temperature shift of the frequency of the fiber Bragg grating and the resonant frequency of the laser are equalized.

В экспериментальных исследованиях сборка узкополосного волоконного лазера осуществлялась в конструкцию, представленную на фиг. 1. В качестве основания 1 узкополосного волоконного лазера была выбрана алюминиевая пластина диаметром 140 мм и толщиной 3 мм. Активное волокно 2 крепилось на основании 1 узкополосного волоконного лазера по радиусу ~60 мм. Крепление активного волокна 2 к основанию 1 узкополосного волоконного лазера и волоконной брэгговской решетки 5 осуществлялось с помощью полимера одинаковой марки. На фиг. 5 представлены графики долговременной стабильности длины волны излучения узкополосного волоконного лазера, собранного по предлагаемой конструкции фиг. 1.In experimental studies, the assembly of a narrow-band fiber laser was carried out in the design shown in FIG. 1. As the base 1 of a narrow-band fiber laser, an aluminum plate with a diameter of 140 mm and a thickness of 3 mm was chosen. Active fiber 2 was mounted on the basis of 1 narrow-band fiber laser with a radius of ~ 60 mm. The fastening of the active fiber 2 to the base 1 of a narrow-band fiber laser and fiber Bragg grating 5 was carried out using a polymer of the same brand. In FIG. 5 shows graphs of the long-term stability of the radiation wavelength of a narrow-band fiber laser assembled according to the proposed design of FIG. one.

График фиг. 5 показывает:The graph of FIG. 5 shows:

- (а) режим генерации с модовой перестройкой термостат выключен (дрейф температуры в комнате),- (a) the mode of generation with modal tuning, the thermostat is turned off (temperature drift in the room),

- (б) режим генерации без модовой перестройки, термостат включен, что перестройка длины волны генерации повторяет изменение температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера во времени. Модовая перестройка не происходит даже при резком изменении температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера. Колебания длины волны генерации при резком изменении температуры лазера связаны с колебаниями мощности нагревательного элемента 3 при ПИД подстройке мощности нагревательного элемента 3.- (b) the generation mode without modal tuning, the thermostat is on that the tuning of the generation wavelength repeats the change in temperature of the base 1 of a narrow-band fiber laser in time. Mode tuning does not occur even with a sharp change in the temperature of the base 1 of a narrow-band fiber laser. Fluctuations in the generation wavelength with a sharp change in the laser temperature are associated with fluctuations in the power of the heating element 3 during PID tuning of the power of the heating element 3.

На графике фиг. 6(a) показана стабильность длины волны генерации во время принудительной перестройки температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера, а (b)-изменение температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера во времени. Модовая перестройка не происходит даже при резком изменении температуры основания 1 узкополосного волоконного лазера. Колебания длины волны генерации при резком изменении температуры лазера связаны с колебаниями мощности нагревательного элемента 3 при ПИД подстройке мощности нагревательного элемента 3.In the graph of FIG. 6 (a) shows the stability of the generation wavelength during the forced tuning of the temperature of the base 1 of a narrow-band fiber laser, and (b) the change in temperature of the base 1 of a narrow-band fiber laser in time. Mode tuning does not occur even with a sharp change in the temperature of the base 1 of a narrow-band fiber laser. Fluctuations in the generation wavelength with a sharp change in the laser temperature are associated with fluctuations in the power of the heating element 3 during PID tuning of the power of the heating element 3.

Заявляемый способ позволил подавить модовый перескок узкополосного волоконного лазера при перестройке длины волны излучения в пределах 3 ГГц и при изменении температуры окружающей среды в течение 12 часов. На фиг. 5 и фиг. 6 для заявляемого технического решения представлены результаты стабилизации длины волны излучения узкополосного волоконного лазера при изменении температуры окружающей среды и возможность перестройки длины волны излучения без модового перескока в пределах 3 ГГц.The inventive method allowed to suppress mode hopping of a narrow-band fiber laser when tuning the radiation wavelength within 3 GHz and when the ambient temperature changes for 12 hours. In FIG. 5 and FIG. 6 for the proposed technical solution presents the results of stabilization of the radiation wavelength of a narrow-band fiber laser when the ambient temperature changes and the possibility of tuning the radiation wavelength without mode hopping within 3 GHz.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера и устройства для его осуществления и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».For the claimed invention in the form described in the claims, the possibility of implementing a method of stabilizing the wavelength of a narrow-band fiber laser and a device for its implementation and the ability to achieve the technical result perceived by the applicant is confirmed. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (25)

1. Способ стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера, заключающийся в том, что подавляют возникающий модовый перескок, выравнивая скорости изменения собственной частоты кольцевого резонатора узкополосного волоконного лазера и центральной частоты отражения волоконной брегговской решетки, термостатируя основание узкополосного волоконного лазера нагревательным элементом при температуре основания узкополосного волоконного лазера выше температуры окружающей среды, при этом нагрев основания осуществляют неравномерно с уменьшением температуры от центра к периферии основания, определяя распределение температуры по поверхности основания из соотношения1. A method of stabilizing the wavelength of a narrow-band fiber laser, which consists in suppressing the resulting mode hop, by equalizing the rate of change of the natural frequency of the ring resonator of the narrow-band fiber laser and the central reflection frequency of the fiber Bragg grating, by thermostating the base of the narrow-band fiber laser by a heating element at the base temperature of the narrow-band fiber laser above ambient temperature, while the base is heated unevenly decreasing temperature from the center to the periphery of the base, defining the temperature distribution over the surface of the base ratio
Figure 00000010
Figure 00000010
 гдеWhere q - мощность нагревательного элемента;q is the power of the heating element; b=2α/cpδ - коэффициент температуроотдачи;b = 2α / c p δ is the coefficient of temperature transfer; α - коэффициент поверхностной теплоотдачи;α is the coefficient of surface heat transfer; cp - удельная объемная теплоемкость;c p is the specific volumetric heat capacity; δ - толщина основания узкополосного волоконного лазера;δ is the thickness of the base of a narrow-band fiber laser; λ - коэффициент теплопроводности металла;λ is the thermal conductivity of the metal; а - коэффициент температуропроводности металла; a is the thermal diffusivity of the metal; K0 - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка;K 0 - Bessel function of the first kind of zero order; r2=x2+у2 - точка расчета температуры на поверхности, а охлаждение основания узкополосного волоконного лазера производят через радиатор с воздушным охлаждением.r 2 = x 2 + y 2 is the point of calculating the temperature on the surface, and the cooling of the base of a narrow-band fiber laser is carried out through an air-cooled radiator. 2. Способ стабилизации длины волны узкополосного волоконного лазера по п. 1, отличающийся тем, что используют нагревательный элемент с пропорциональным, интегральным, дифференциальным регулятором.2. The method of stabilizing the wavelength of a narrow-band fiber laser according to claim 1, characterized in that a heating element with a proportional, integral, differential controller is used. 3. Узкополосный волоконный лазер, содержащий кольцевой резонатор, активное волокно, радиатор охлаждения, волоконную брэгговскую решетку и нагревательный элемент, отличающийся тем, что он снабжен расположенными по одной оси термостатом, граничащим с нагревательным элементом, и основанием, с размещенным на нем активным волокном, и установленным между нагревательным элементом и брэгговской решеткой, граничащей с радиатором охлаждения, при этом нагревательный элемент установлен с возможностью неравномерного нагрева основания с уменьшением температуры от центра к периферии основания, согласно соотношению3. A narrow-band fiber laser containing a ring resonator, an active fiber, a cooling radiator, a fiber Bragg grating and a heating element, characterized in that it is provided with a thermostat located on one axis adjacent to the heating element, and a base with active fiber placed on it, and installed between the heating element and the Bragg grate adjacent to the cooling radiator, while the heating element is installed with the possibility of uneven heating of the base with a decrease temperature from the center to the periphery of the base, according to the ratio
Figure 00000011
Figure 00000011
 гдеWhere q - мощность нагревательного элемента;q is the power of the heating element; b=2α/cpδ - коэффициент температуроотдачи;b = 2α / c p δ is the coefficient of temperature transfer; α - коэффициент поверхностной теплоотдачи;α is the coefficient of surface heat transfer; cp - удельная объемная теплоемкость;c p is the specific volumetric heat capacity; δ - толщина основания узкополосного волоконного лазера;δ is the thickness of the base of a narrow-band fiber laser; λ - коэффициент теплопроводности металла;λ is the thermal conductivity of the metal; а - коэффициент температуропроводности металла; a is the thermal diffusivity of the metal; K0 - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка;K 0 - Bessel function of the first kind of zero order; r2=x2+у2 - точка расчета температуры на поверхности.r 2 = x 2 + y 2 - the point of calculation of temperature on the surface.
RU2017128973A 2017-08-14 2017-08-14 Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation RU2664758C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128973A RU2664758C1 (en) 2017-08-14 2017-08-14 Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128973A RU2664758C1 (en) 2017-08-14 2017-08-14 Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2664758C1 true RU2664758C1 (en) 2018-08-22

Family

ID=63286685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017128973A RU2664758C1 (en) 2017-08-14 2017-08-14 Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2664758C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2717254C1 (en) * 2019-04-08 2020-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Fiber laser for pumping of active elements
RU2748867C1 (en) * 2020-08-13 2021-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Fiber laser for additive technologies
RU213814U1 (en) * 2022-07-15 2022-09-29 Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") Laser source

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6965620B2 (en) * 2002-01-24 2005-11-15 Np Photonics, Inc. Erbium-doped phosphate-glass tunable single-mode fiber laser using a tunable fabry-perot filter
US20140226140A1 (en) * 2013-02-13 2014-08-14 Kla-Tencor Corporation 193nm Laser And Inspection System
US20150002923A1 (en) * 2012-03-27 2015-01-01 Fujitsu Limited Amplifying apparatus and amplifying medium
RU2554337C1 (en) * 2014-01-09 2015-06-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Narrow-band annular fibre laser
US20150325977A1 (en) * 2004-03-31 2015-11-12 Imra America, Inc. High power short pulse fiber laser

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6965620B2 (en) * 2002-01-24 2005-11-15 Np Photonics, Inc. Erbium-doped phosphate-glass tunable single-mode fiber laser using a tunable fabry-perot filter
US20150325977A1 (en) * 2004-03-31 2015-11-12 Imra America, Inc. High power short pulse fiber laser
US20150002923A1 (en) * 2012-03-27 2015-01-01 Fujitsu Limited Amplifying apparatus and amplifying medium
US20140226140A1 (en) * 2013-02-13 2014-08-14 Kla-Tencor Corporation 193nm Laser And Inspection System
RU2554337C1 (en) * 2014-01-09 2015-06-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Narrow-band annular fibre laser

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2717254C1 (en) * 2019-04-08 2020-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Fiber laser for pumping of active elements
RU2748867C1 (en) * 2020-08-13 2021-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Fiber laser for additive technologies
RU213814U1 (en) * 2022-07-15 2022-09-29 Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") Laser source

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Smith et al. Overview of a steady-periodic model of modal instability in fiber amplifiers
JP5972356B2 (en) Raman distributed feedback fiber laser and high power laser system using the same
US11175563B2 (en) All-microwave stabilization of microresonator-based optical frequency combs
US9293887B2 (en) Chip-based laser resonator device for highly coherent laser generation
RU2664758C1 (en) Method of stabilizing wave length of narrow fiber laser and device for its implementation
WO2005099421A2 (en) Monolithic wavelength stabilized asymmetric laser
KR102592497B1 (en) Integrated optics-based external cavity laser configured for mode-hop-free wavelength tuning
Li et al. Optically controlled tunable ultra-narrow linewidth fiber laser with Rayleigh backscattering and saturable absorption ring
TWI381601B (en) External cavity laser tuning element dither servo control
JP6304582B2 (en) Control method of wavelength tunable laser
Zhu et al. Accessing the exceptional points in coupled Fabry–Perot resonators through hybrid integration
JP6319721B2 (en) Control method of wavelength tunable laser
US11870216B2 (en) Compact narrow-linewidth integrated laser
JP2015126195A (en) Wavelength-variable laser control method
Saleh et al. Fiber ring resonator based opto-electronic oscillator: phase noise optimisation and thermal stability study
Lei et al. Research on single longitudinal mode laser based on FP etalon and Q-switched delay
JP2014007435A (en) Wavelength variable laser, wavelength variable laser device, and wavelength variable laser control method
Foster et al. Experimental and theoretical characterization of the mode profile of single-mode DFB fiber lasers
Yulianto et al. Temperature effect towards DFB laser wavelength on microwave generation based on two optical wave mixing
JP6382506B2 (en) Control method of wavelength tunable laser
JP6047061B2 (en) Variable performance diffraction grating
US10348056B2 (en) Laser diode with distributed feedback and method for producing
KR101788073B1 (en) Method for Stabilizing Wavelength of Laser Light
Baghdasaryan et al. Single-frequency radiation from DBR fiber laser: Numerical analysis by the method of single expression
JP2015126196A (en) Wavelength variable laser