[go: up one dir, main page]

RU2834670C1 - Fibre-optic structure for pumping laser - Google Patents

Fibre-optic structure for pumping laser Download PDF

Info

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
Application number
RU2024120266A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Эдуардович Алексеев
Иван Владимирович Обронов
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Техническое Объединение "Ирэ-Полюс"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Техническое Объединение "Ирэ-Полюс" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Техническое Объединение "Ирэ-Полюс"
Application granted granted Critical
Publication of RU2834670C1 publication Critical patent/RU2834670C1/en

Links

Abstract

FIELD: electric elements; lasers.
SUBSTANCE: invention relates to fibre-optic continuous laser radiation generators. Optical fibre structure for pumping laser comprises cladding, active fibre doped with ytterbium ions, with possibility of generation of radiation in range of 1000-1028 nm, according to invention comprises active fibre with side pumping, consisting of an active fibre doped with ytterbium ions with a variable diameter and a passive fibre with a variable diameter, fibre Bragg gratings, fibre combiners, wavelength-stabilized pumping laser diodes, wherein doping of active fibre core with ytterbium ions makes 50-90 % of core diameter with concentration in range of 200-500 ppm.
EFFECT: elimination of waveguide modes of higher orders, optimization of temperature mode of laser operation and increase of threshold of mode instability effect.
1 cl

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)

Оптоволоконная структура для лазера накачки, содержащая оболочку, активное волокно, легированное ионами иттербия, с возможностью генерации излучения в диапазоне 1000-1028 нм, отличающаяся тем, что содержит активное волокно с боковой накачкой, состоящее из активного волокна, легированного ионами иттербия, с переменным диаметром и пассивного волокна с переменным диаметром, волоконные брэгговские решетки, волоконные объединители, стабилизированные по длине волны лазерные диоды накачки, при этом легирование жилы активного волокна ионами иттербия составляет 50-90% от диаметра жилы с концентрацией в диапазоне 200-500 ppm.A fiber optic structure for a pump laser, comprising a cladding, an active fiber doped with ytterbium ions, with the ability to generate radiation in the range of 1000-1028 nm, characterized in that it contains an active fiber with lateral pumping, consisting of an active fiber doped with ytterbium ions, with a variable diameter and a passive fiber with a variable diameter, fiber Bragg gratings, fiber combiners, wavelength-stabilized pump laser diodes, wherein the doping of the active fiber core with ytterbium ions is 50-90% of the core diameter with a concentration in the range of 200-500 ppm.
RU2024120266A 2024-07-18 Fibre-optic structure for pumping laser RU2834670C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2834670C1 true RU2834670C1 (en) 2025-02-12

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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