RU2834670C1 - Fibre-optic structure for pumping laser - Google Patents
Fibre-optic structure for pumping laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2834670C1 RU2834670C1 RU2024120266A RU2024120266A RU2834670C1 RU 2834670 C1 RU2834670 C1 RU 2834670C1 RU 2024120266 A RU2024120266 A RU 2024120266A RU 2024120266 A RU2024120266 A RU 2024120266A RU 2834670 C1 RU2834670 C1 RU 2834670C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fibre
- fiber
- active
- radiation
- laser
- Prior art date
Links
- 238000005086 pumping Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 44
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 25
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- -1 ytterbium ions Chemical class 0.000 claims abstract description 16
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 abstract description 5
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к оптоволоконным генераторам непрерывного лазерного излучения, может использоваться на промышленных предприятиях.The invention relates to fiber optic generators of continuous laser radiation and can be used in industrial enterprises.
Одним из важных требований, к современным лазерным системам, в частности к тем, которые используются для дальнейшей накачки активных сред, является высокая эффективность преобразования мощности излучения накачки в мощность излучения на требуемой длине волны. При этом лучшее поглощение излучения накачки и лучшая эффективность преобразования достигается в случае, если излучение накачки обладает высокой яркостью (высоким значением качества оптического пучка). При использовании в качестве накачиваемой активной среды оптического волокна, легированного активными ионами иттербия, высокая эффективность генерации обеспечивает приемлемый уровень нагрева активного волокна, вследствие низкого квантового дефекта (разнице в частоте излучения накачки и частоте излучения лазерной генерации). При использовании в качестве накачиваемой активной среды объемного кристалла, например, иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами иттербия (Yb: YAG), в качестве накачки которого обычно используется излучение на длине волны в диапазоне 940-970 нм, высокую эффективность генерации также возможно получить, используя излучение накачки с большей длиной волны и с большей яркостью, обеспечивающей более низкий квантовый дефект. Для активной среды, легированной ионами иттербия, в случае если рабочая длина волны лазерной генерации расположена в диапазоне 1030 нм, то в качестве накачки возможно использовать источник с близкой длиной волны, например, в диапазоне 1010 нм, обеспечивающей приемлемый квантовый дефект (в районе 2%) и, соответственно, приемлемый температурный режим работы активной среды. При накачке активного кристалла Yb: YAG для обеспечения высокого значения качества оптического пучка, генерируемого оптическим элементом излучения, необходимым является также высокое значение качества оптического пучка излучения накачки (высокой яркости). Поэтому высокоэффективный лазерный источник излучения накачки с длиной волны генерации в диапазоне 1000-1028 нм с оптическим пучком высокого качества, является необходимым для создания современных многокаскадных лазерных систем [1, 2].One of the important requirements for modern laser systems, in particular for those used for further pumping of active media, is high efficiency of conversion of pump radiation power into radiation power at the required wavelength. In this case, better absorption of pump radiation and better conversion efficiency are achieved if the pump radiation has high brightness (high value of the optical beam quality). When using optical fiber doped with active ytterbium ions as a pumped active medium, high generation efficiency provides an acceptable level of heating of the active fiber, due to a low quantum defect (the difference in the pump radiation frequency and the laser generation frequency). When using a bulk crystal as a pumped active medium, for example, yttrium-aluminum garnet doped with ytterbium ions (Yb: YAG), which is usually pumped with radiation at a wavelength in the range of 940-970 nm, high generation efficiency can also be achieved by using pump radiation with a longer wavelength and with a higher brightness, which ensures a lower quantum defect. For an active medium doped with ytterbium ions, if the operating wavelength of laser generation is in the range of 1030 nm, then it is possible to use a source with a close wavelength as pumping, for example, in the range of 1010 nm, which ensures an acceptable quantum defect (in the region of 2%) and, accordingly, an acceptable operating temperature mode of the active medium. When pumping an active Yb: YAG crystal, in order to ensure a high quality value of the optical beam generated by the optical radiation element, a high quality value of the optical beam of the pump radiation (high brightness) is also necessary. Therefore, a highly efficient laser source of pump radiation with a generation wavelength in the range of 1000-1028 nm with a high-quality optical beam is necessary for the creation of modern multi-cascade laser systems [1, 2].
Уровень развития волоконно-оптических лазерных технологий позволяет в настоящее время достичь выходных мощностей генерации порядка 0,9 кВт на длине волны 1010 нм с дифференциальной эффективностью генерации, составляющей 70%, и 0,75 кВт на длине волны 1007 нм, с дифференциальной эффективностью генерации, составляющей 64% [2]. Для получения таких параметров генерации требуется особая конфигурация цельно-волоконной лазерной системы, включающая специальные активные волокна, диодные модули накачки, систему теплоотвода, предотвращающую возникновение тепловых эффектов, в частности модовой неустойчивости [3]. Для предотвращения паразитной генерации на длинах волн в диапазоне 1030 нм требуется использование волокон с пониженной концентрацией ионов иттербия.The level of development of fiber-optic laser technologies currently allows achieving output generation powers of the order of 0.9 kW at a wavelength of 1010 nm with a differential generation efficiency of 70%, and 0.75 kW at a wavelength of 1007 nm, with a differential generation efficiency of 64% [2]. To obtain such generation parameters, a special configuration of an all-fiber laser system is required, including special active fibers, diode pump modules, and a heat-removal system that prevents the occurrence of thermal effects, in particular, mode instability [3]. To prevent parasitic generation at wavelengths in the 1030 nm range, it is necessary to use fibers with a reduced concentration of ytterbium ions.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известен высокомощный сверхъяркий малошумящий источник накачки [4], выполненный с одним или более объединенными мультимодовыми затравочными источниками, который вырабатывает ровный световой сигнал λp, предпочтительно с длиной волны 975 нм или любой другой желаемой длиной волны в диапазоне 974-1030 нм. Мультимодовый затравочный источник может быть выполнен в виде волоконного компонента или в виде мультимодового лазерного диода, и выходной световой сигнал может достигать мощности в нескольких сотен ватт.A high-power, super-bright, low-noise pump source [4] is known from the prior art, made with one or more combined multimode seed sources, which produces a smooth light signal λp, preferably with a wavelength of 975 nm or any other desired wavelength in the range of 974-1030 nm. The multimode seed source can be made in the form of a fiber component or in the form of a multimode laser diode, and the output light signal can reach a power of several hundred watts.
Указанный прототип не обеспечивает устранение волноводных мод высших порядков.The specified prototype does not provide elimination of higher order waveguide modes.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Задача изобретения заключается в усовершенствовании конструктивных элементов устройства.The objective of the invention is to improve the structural elements of the device.
Технический результат изобретения заключается в устранении волноводных мод высших порядков, обеспечивающем высокое качество оптического пучка генерируемого излучения. Дополнительным техническим результатом является увеличение порога возникновения эффекта модовой неустойчивости. Конструктив изобретения также позволяет осуществить оптимальный теплоотвод избыточной тепловой мощности.The technical result of the invention consists in eliminating waveguide modes of higher orders, ensuring high quality of the optical beam of generated radiation. An additional technical result is an increase in the threshold of occurrence of the mode instability effect. The design of the invention also allows for optimal heat removal of excess thermal power.
Оптоволоконная структура лазерного источника содержит стабилизированные по длине волны лазерные диоды накачки, активное волокно, легированное ионами иттербия, обеспечивающее лазерную генерацию в диапазоне 1000-1028 нм. Устройство снабжено активным волокном с боковой накачкой, которое состоит из активного волокна с переменным диаметром, легированного ионами иттербия и пассивного волокна (сателлитного) с переменным диаметром. Также устройство содержит волоконные брэгговские решетки и волоконный объединитель.The fiber-optic structure of the laser source contains wavelength-stabilized pumping laser diodes, an active fiber doped with ytterbium ions, providing laser generation in the range of 1000-1028 nm. The device is equipped with an active fiber with lateral pumping, which consists of an active fiber with a variable diameter, doped with ytterbium ions and a passive fiber (satellite) with a variable diameter. The device also contains fiber Bragg gratings and a fiber combiner.
Пассивные оптические волокна, в покрытии, содержащем рассеивающие микрочастицы (например, гексагональный нитрид бора), обеспечивают равномерное рассеивание в окружающее пространство остаточной оптической мощности (терминацию остаточного оптического излучения) со стороны одной из волоконных брэгговских решеток, равномерное рассеивание оптической мощности спонтанной люминесценции, а также равномерное рассеяние непоглощенного излучения накачки.Passive optical fibers, in a coating containing scattering microparticles (for example, hexagonal boron nitride), provide uniform scattering of residual optical power into the surrounding space (termination of residual optical radiation) from one of the fiber Bragg gratings, uniform scattering of the optical power of spontaneous luminescence, and uniform scattering of unabsorbed pump radiation.
Оболочка устройства состоит из металлического сплава, и позволяет произвести спиральную укладку оптических волокон с оптимальным радиусом их изгиба. Оболочка обеспечивает оптимальный теплоотвод от активных и пассивных волокон, снижающий тепловую нагрузку на оптические волокна, что приводит к повышению порога возникновения эффекта модовой неустойчивости.The device shell consists of a metal alloy and allows for spiral laying of optical fibers with an optimal bending radius. The shell provides optimal heat removal from active and passive fibers, reducing the thermal load on optical fibers, which leads to an increase in the threshold for the occurrence of the mode instability effect.
Активное волокно имеет специальный профиль легирования ионами иттербия, приводящий к селективному усилению волноводных мод в активном волокне и способствующий улучшению качества выходного оптического пучка, при этом легирование жилы ионами иттербия составляет 50-90% от диаметра жилы с концентрацией в диапазоне 200-500 ppm.The active fiber has a special doping profile with ytterbium ions, which leads to selective amplification of waveguide modes in the active fiber and helps improve the quality of the output optical beam, while the doping of the core with ytterbium ions is 50-90% of the core diameter with a concentration in the range of 200-500 ppm.
В качестве модулей накачки используются стабилизированные по длине волны лазерные диоды.Wavelength-stabilized laser diodes are used as pump modules.
Волоконный объединитель позволяет использовать более одного лазерного диода, для осуществления накачки активной среды в различных направлениях относительно распространения генерируемого излучения: во встречном, в попутном и в двух направлениях одновременно.The fiber combiner allows the use of more than one laser diode to pump the active medium in different directions relative to the propagation of the generated radiation: in the opposite direction, in the same direction, and in two directions simultaneously.
Брэгговские решетки обеспечивают генерацию излучения на требуемой длине волны в диапазоне 1000-1028 нм.Bragg gratings provide generation of radiation at the required wavelength in the range of 1000-1028 nm.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Пример №1Example #1
Объединитель накачки объединяет излучение нескольких лазерных диодов накачки для достижения оптической мощности, необходимой для накачки активного волокна. Легирование жилы активного волокна ионами иттербия составляет 70% от диаметра жилы с концентрацией 200 ppm. Излучение источника диодной накачки возбуждает ионы активного волокна, находящиеся в основном состоянии, и инициирует их переход на верхние энергетические уровни, таким образом создавая инверсию населенностей. Резонатор, образованный волоконными брэгговскими решетками, обеспечивает лазерную генерацию на длине волны, определяемой длиной волны отражения решеток. Выходное волокно волоконного блока подваривается к другому активному элементу, накачку которого необходимо осуществить. В результате устройство генерирует излучение на требуемой длине волны 1020 нм.The pump combiner combines the radiation of several laser pump diodes to achieve the optical power required to pump the active fiber. The active fiber core is doped with ytterbium ions to 70% of the core diameter with a concentration of 200 ppm. The radiation from the diode pump source excites the active fiber ions in the ground state and initiates their transition to upper energy levels, thus creating a population inversion. A resonator formed by fiber Bragg gratings provides laser generation at a wavelength determined by the reflection wavelength of the gratings. The output fiber of the fiber unit is welded to another active element that needs to be pumped. As a result, the device generates radiation at the required wavelength of 1020 nm.
Пример №2Example #2
Объединитель накачки объединяет излучение нескольких лазерных диодов накачки для достижения оптической мощности, необходимой для накачки активного волокна. Легирование жилы активного волокна ионами иттербия составляет 90% от диаметра жилы с концентрацией 500 ppm. Излучение источника диодной накачки возбуждает ионы активного волокна, находящиеся в основном состоянии, и инициирует их переход на верхние энергетические уровни, таким образом создавая инверсию населенностей. Резонатор, образованный волоконными брэгговскими решетками, обеспечивает лазерную генерацию на длине волны, определяемой длиной волны отражения решеток. Выходное волокно волоконного блока подваривается к другому активному элементу, накачку которого необходимо осуществить. В результате устройство генерирует излучение на требуемой длине волны 1010 нм.The pump combiner combines the radiation of several laser pump diodes to achieve the optical power required to pump the active fiber. The active fiber core is doped with ytterbium ions to 90% of the core diameter with a concentration of 500 ppm. The radiation from the diode pump source excites the active fiber ions in the ground state and initiates their transition to upper energy levels, thus creating a population inversion. A resonator formed by fiber Bragg gratings provides laser generation at a wavelength determined by the reflection wavelength of the gratings. The output fiber of the fiber unit is welded to another active element that needs to be pumped. As a result, the device generates radiation at the required wavelength of 1010 nm.
Список литературы:Bibliography:
1) Dergachev A., Samartsev I., Gapontsev V. High-power, rare-earth-doped crystal amplifier based on ultra-low-quantum-defect pumping scheme Utilizing single or low-mode fiber lasers: пат. 11316319 США. - 2022.1) Dergachev A., Samartsev I., Gapontsev V. High-power, rare-earth-doped crystal amplifier based on ultra-low-quantum-defect pumping scheme Utilizing single or low-mode fiber lasers: patent. 11316319 USA. - 2022.
2) Platonov N. et al. High-efficient kW-level single-mode ytterbium fiber lasers in all-fiber format with diffraction-limited beam at wavelengths in 1000-1030 nm spectral range //Fiber Lasers XVII: Technology and Systems. - SPIE, 2020. - T. 11260. - C. 1126003.2) Platonov N. et al. High-efficient kW-level single-mode ytterbium fiber lasers in all-fiber format with diffraction-limited beam at wavelengths in 1000-1030 nm spectral range //Fiber Lasers XVII: Technology and Systems. - SPIE, 2020. - T. 11260. - C. 1126003.
3) Smith A.V., Smith J. J. Mode instability in high power fiber amplifiers //Optics express. -2011. - Т. 19. - №.11. - C. 10180-10192.3) Smith A.V., Smith J.J. Mode instability in high power fiber amplifiers //Optics express. -2011. - T. 19. - No. 11. - C. 10180-10192.
4) Гапонцев В., Самарцев И. ВЫСОКОМОЩНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ИСТОЧНИК НАКАЧКИ С ВЫСОКОЯРКИМ МАЛОШУМЯЩИМ ВЫХОДНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 974-1030 нм. - 2016. RU 2591586.4) Gapontsev V., Samartsev I. HIGH-POWER FIBER PUMP SOURCE WITH HIGH-BRIGHT LOW-NOISE OUTPUT RADIATION IN THE WAVELENGTH RANGE OF 974-1030 nm. - 2016. RU 2591586.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2834670C1 true RU2834670C1 (en) | 2025-02-12 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2269849C2 (en) * | 2001-03-14 | 2006-02-10 | Ойропэише Организацион Фюр Астрономише Форшунг Ин Дер Зюдлихен Хемисфере | Narrow-band fiber lasers of great power with expanded range of wave lengths |
| US8441718B2 (en) * | 2009-11-23 | 2013-05-14 | Lockheed Martin Corporation | Spectrally beam combined laser system and method at eye-safer wavelengths |
| US9046697B2 (en) * | 2012-01-02 | 2015-06-02 | Jgm Associates, Inc. | Low-speckle light sources and displays employing multimode optical fiber |
| RU2591586C2 (en) * | 2011-08-18 | 2016-07-20 | Ай-Пи-Джи Фоутоникс Корпорейшн | HIGH-POWER FIBRE PUMPING SOURCE WITH HIGH-BRIGHTNESS LOW NOISE OUTPUT RADIATION IN WAVELENGTH RANGE 974-1030 nm |
| RU2686665C2 (en) * | 2014-09-16 | 2019-04-30 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Broadband red light generator for rgb-display |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2269849C2 (en) * | 2001-03-14 | 2006-02-10 | Ойропэише Организацион Фюр Астрономише Форшунг Ин Дер Зюдлихен Хемисфере | Narrow-band fiber lasers of great power with expanded range of wave lengths |
| US8441718B2 (en) * | 2009-11-23 | 2013-05-14 | Lockheed Martin Corporation | Spectrally beam combined laser system and method at eye-safer wavelengths |
| RU2591586C2 (en) * | 2011-08-18 | 2016-07-20 | Ай-Пи-Джи Фоутоникс Корпорейшн | HIGH-POWER FIBRE PUMPING SOURCE WITH HIGH-BRIGHTNESS LOW NOISE OUTPUT RADIATION IN WAVELENGTH RANGE 974-1030 nm |
| US9046697B2 (en) * | 2012-01-02 | 2015-06-02 | Jgm Associates, Inc. | Low-speckle light sources and displays employing multimode optical fiber |
| RU2686665C2 (en) * | 2014-09-16 | 2019-04-30 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Broadband red light generator for rgb-display |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8351111B2 (en) | Cascaded raman fiber laser system based on filter fiber | |
| US6965469B2 (en) | Fiber amplifier having a non-doped inner core and at least one doped gain region | |
| US6370180B2 (en) | Semiconductor-solid state laser optical waveguide pump | |
| US9882341B2 (en) | High power single mode fiber laser system for wavelengths operating in 2 μm range | |
| JP2014533428A (en) | High power fiber pump light source with high brightness and low noise output in the wavelength range of about 974-1030 nm | |
| US20230119153A1 (en) | Architecture for high-power thulium-doped fiber amplifier | |
| US8982452B2 (en) | All-in-one raman fiber laser | |
| KR102078144B1 (en) | Ultra high power single mode fiber laser system | |
| CN105359356A (en) | Multimode fabry-perot fiber laser | |
| US7369582B2 (en) | High-power fiber laser amplifier and fiber laser oscillator | |
| US7502391B2 (en) | Eye safe high power fibre laser | |
| US20240063598A1 (en) | High power raman fiber laser | |
| US9620924B1 (en) | Reduction of Yb-to-Er bottlenecking in co-doped fiber laser amplifiers | |
| KR102472018B1 (en) | High-power cladding-pumped single-mode fiber Raman laser | |
| RU2834670C1 (en) | Fibre-optic structure for pumping laser | |
| US20240039232A1 (en) | Fibre laser assembly and method for generating high power laser radiation | |
| Harun et al. | High output power Erbium-Ytterbium doped cladding pumped fiber amplifier | |
| US20240347997A1 (en) | Master oscillator power amplifier with seeded oscillator for fiber laser | |
| Khudiakov et al. | Suppression of Higher Order Modes in a Few-Transverse-Mode Er-Yb Co-Doped Fiber Laser Oscillator | |
| Lafouti et al. | Experimental investigation of a high-power 1018 nm monolithic tandem pump fiber source using 20/400 µm Yb-doped fiber | |
| Wu et al. | Power scaling of single-frequency Yb3+-doped phosphate fiber laser oscillators | |
| Meng et al. | Demonstration of monolithic ytterbium-doped fiber amplifier with record power of 5.1 ákW emitting at 1100ánm | |
| Abbouab et al. | Theoretical Study of Continuous Wave Multi-kWs Fiber Laser Source | |
| Lautenschläger et al. | All-Fiber Power-Scaling of a small-core Thulium-doped Fiber laser at 1931 nm | |
| Henderson-Sapir et al. | Towards diffraction limited output via wavefront shaping in a record peak power, single-frequency, pulsed 1.5 μm multimode fibre amplifier |