RU2548388C1

RU2548388C1 - Fibre laser with nonlinear radiation frequency conversion in high-q resonator (versions)

Info

Publication number: RU2548388C1
Application number: RU2013159337/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Кобцев; Сергей Александрович Хрипунов; Даба Александрович Раднатаров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" (ООО "Техноскан-Лаб")
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-04-20
Also published as: WO2015102518A1

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: fibre laser with nonlinear radiation frequency conversion comprises a pumping source, a fibre linear resonator, a module for guiding pumping radiation into amplification fibre, a spectrally selective reflecting element on one side of the linear resonator and having a nonlinear optical crystal of a high-Q resonator on the other side, as well as a focusing element located between the end of the fibre and the high-Q resonator. One of the two flat working surfaces of the nonlinear crystal, or the optical element located in the high-Q resonator, is perpendicular to the incident radiation and serves as exit mirror of the linear resonator. Between the fibre and the focusing element there is a collimating optical element, between which there is a polariser, the surfaces of which are inclined towards the axis of the resonator by an angle of not less than one degree.

EFFECT: efficient generation of nonlinearly converted radiation with improved temporal stability of radiation power.

24 cl, 11 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к лазерам - приборам для генерации когерентных электромагнитных волн и промышленно применимо в устройствах и системах, использующих лазерное излучение.The present invention relates to lasers - devices for the generation of coherent electromagnetic waves and is industrially applicable in devices and systems using laser radiation.

Из существующего уровня техники известен волоконный лазер с нелинейным преобразованием частот излучения во внешнем высокодобротном резонаторе (J.W. Kim et al. Efficient second-harmonic generation of continuous-wave Yb fiber lasers coupled with an external resonant cavity. Appl Phys B, 108, 539-543 (2012)). Высокодобротный резонатор является внешним по отношению к волоконному лазеру и не имеет с ним никаких общих элементов. Недостатком данного технического решения является относительно большая временная нестабильность интенсивности излучения второй гармоники, которая может достигать единиц процентов (<4%, среднеквадратичная), и эта нестабильность обусловлена нестабильной оптической связью двух резонаторов - резонатора лазера и высокодобротного резонатора - в силу независимости их конструкций. Дополнительным недостатком указанного решения является неоптимальная выходная мощность излучения лазера, что вызвано неоптимальным пропусканием выходного зеркала резонатора лазера, составляющим 96%, это выходное зеркало образовано перпендикулярным к пучку излучения лазера выходным волоконным кварцевым торцом, не имеющим какого-либо покрытия.A fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in an external high-Q cavity is known from the prior art (JW Kim et al. Efficient second-harmonic generation of continuous-wave Yb fiber lasers coupled with an external resonant cavity. Appl Phys B, 108, 539-543 (2012)). A high-Q cavity is external to the fiber laser and has no common elements with it. The disadvantage of this technical solution is the relatively large temporal instability of the second harmonic radiation intensity, which can reach units of percent (<4%, root mean square), and this instability is due to the unstable optical coupling of two resonators - a laser resonator and a high-Q resonator - due to the independence of their designs. An additional drawback of this solution is the non-optimal output radiation power of the laser, which is caused by non-optimal transmission of the output mirror of the laser resonator, which is 96%, this output mirror is formed perpendicular to the laser beam by the output fiber quartz end face, which does not have any coating.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является волоконный лазер с нелинейным преобразованием частот излучения во внутреннем высокодобротном резонаторе (WO 2012/101391 A1, Optical fiber lasers, опубл. 02.08.2012). В этом решении высокодобротный резонатор содержится внутри линейного резонатора лазера ('резонатор в резонаторе', при этом лазер генерирует на тех частотах, которые являются общими для обоих резонаторов - лазер генерирует на тех продольных модах линейного резонатора, которые попадают в полосы пропускания высокодобротного резонатора. Недостатком этого технического решения является то, что добротность внутреннего резонатора ограничена в силу необходимости ввода излучения во внутренний резонатор и вывода из него для организации обратной связи. Т.е. два зеркала внутреннего резонатора, которые должны частично пропускать лазерное излучение, увеличивают потери излучения во внутреннем резонаторе, что понижает добротность внутреннего резонатора и, соответственно, уменьшает эффективность нелинейного преобразования частот излучения во внутреннем резонаторе.Closest to the claimed technical solution is a fiber laser with a nonlinear frequency conversion of radiation in an internal high-Q cavity (WO 2012/101391 A1, Optical fiber lasers, published 02.08.2012). In this solution, a high-Q cavity is contained inside the linear cavity of the laser (a 'cavity in the cavity', while the laser generates at those frequencies that are common to both resonators - the laser generates at the longitudinal modes of the linear cavity that fall into the passband of the high-Q cavity. This technical solution is that the quality factor of the internal resonator is limited due to the need to introduce radiation into the internal resonator and output from it for organization back That is, two mirrors of the internal resonator, which must partially transmit laser radiation, increase the loss of radiation in the internal resonator, which reduces the quality factor of the internal resonator and, accordingly, reduces the efficiency of nonlinear conversion of radiation frequencies in the internal resonator.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является создание волоконного лазера с увеличенной мощностью выходного излучения и увеличенной эффективностью нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе, а также с уменьшенной временной нестабильность интенсивности преобразованного излучения.The problem to which the claimed invention is directed is to create a fiber laser with increased output radiation power and increased efficiency of nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q resonator, as well as with reduced temporal instability of the converted radiation intensity.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном лазере с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, волоконный линейный резонатор, включающий поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, волоконный модуль спектрального сведения для заведения излучения накачки в усиливающее волокно, спектрально-селективный отражающий элемент с одной стороны линейного резонатора, содержащий нелинейный оптический кристалл высокодобротный резонатор с другой стороны линейного резонатора, расположенный между высокодобротным резонатором и усиливающим волокном торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, расположенный между торцом волокна и высокодобротным резонатором фокусирующий элемент, фокусирующий выходящее из торца волокна излучение в высокодобротный резонатор и согласующий моду линейного резонатора с модой высокодобротного резонатора, согласно изобретению одна из двух плоских рабочих поверхностей нелинейного кристалла, имеющих просветляющие покрытия, перпендикулярна падающему пучку излучения и служит выходным зеркалом линейного резонатора волоконного лазера, между торцом волокна и фокусирующим элементом расположен коллимирующий оптический элемент, а между фокусирующим элементом и коллимирующим элементом расположен поляризатор, отражающие поверхности которого наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса.This problem is solved due to the fact that in the known fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q cavity containing optically coupled pump radiation source, a linear fiber resonator including an amplifying fiber supporting a polarization of radiation, a fiber spectral information module for introducing pump radiation into an amplifying fiber A spectrally selective reflective element on one side of a linear resonator containing a nonlinear high-resolution optical crystal a brotn resonator on the other side of the linear resonator located between the high-Q resonator and the fiber reinforcing fiber, the end face of the fiber not reflecting the laser radiation back into this fiber, the focusing element located between the fiber end and the high-Q resonator focusing the radiation emerging from the fiber end into the high-Q resonator and matching the linear mode resonator with a high-Q resonator mode, according to the invention, one of two flat working surfaces of a nonlinear crystal having luminous coatings, perpendicular to the incident radiation beam and serves as the output mirror of the linear laser fiber resonator, a collimating optical element is located between the fiber end and the focusing element, and a polarizer is located between the focusing element and the collimating element, the reflecting surfaces of which are inclined to the axis of the laser resonator by at least one angle degrees.

В частности, высокодобротный резонатор может быть выполнен в четырехзеркальной, трехзеркальной и двухзеркальной конфигурации. В трехзеркальной конфигурации вместо одного из зеркал используется призма.In particular, a high-Q resonator can be made in a four-mirror, three-mirror and two-mirror configuration. In a three-mirror configuration, a prism is used instead of one of the mirrors.

В частности, нелинейный оптический кристалл имеет форму прямоугольного параллелепипеда с двумя рабочими поверхностями, которые перпендикулярны падающему пучку излучения и имеют просветляющие покрытия для излучения лазера.In particular, the nonlinear optical crystal has the shape of a rectangular parallelepiped with two working surfaces that are perpendicular to the incident radiation beam and have antireflection coatings for laser radiation.

В частности, нелинейный оптический кристалл имеет вторую поверхность, ориентированную под углом Брюстера относительно пучка лазерного излучения.In particular, a nonlinear optical crystal has a second surface oriented at a Brewster angle relative to the laser beam.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.In particular, the spectrally selective reflective element may be a fiber Bragg grating or a bulk diffraction grating.

В частности, спектрально-селективным отражающим элементом может являться призма в сочетании с отражающим зеркалом или призма Литтрова с отражающим покрытием на поверхности, на которую нормально падает пучок лазерного излучения после преломления на входной поверхности призмы.In particular, the spectrally selective reflective element may be a prism in combination with a reflecting mirror or a Littrov prism with a reflective coating on the surface onto which the laser beam normally falls after refraction on the input surface of the prism.

В частности, отражение просветленной рабочей поверхности нелинейного оптического кристалла составляет для излучения лазера не более 1%.In particular, the reflection of the enlightened working surface of a nonlinear optical crystal is no more than 1% for laser radiation.

В частности, пропускание входного зеркала высокодобротного резонатора для излучения лазера имеет значение в диапазоне 1-5%.In particular, the transmission of the input mirror of a high-Q resonator for laser radiation has a value in the range of 1-5%.

В частности, нелинейным оптическим кристаллом может быть кристалл для удвоения частот генерации, параметрического или вынужденного комбинационного (рамановского) преобразования частот генерации.In particular, a nonlinear optical crystal may be a crystal for doubling the generation frequencies, parametric or forced Raman conversion of the generation frequencies.

В частности, в качестве усиливающего волокна может быть использовано как стеклянное оптическое волокно, так и стеклянное оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами или легированное оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Та, Zr, Bi.In particular, both glass optical fiber and glass optical fiber doped with rare-earth elements or doped with germanium and phosphorus oxides, as well as their combination, can be used as a reinforcing fiber, while the compound of the chemical element Si, N can be included in the oxide matrix, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi.

В частности, источником излучения накачки волоконного лазера может служить рамановский лазер при использовании в качестве усиливающего волокна стекловолокна, легированного оксидами германия, фосфора, а также их сочетанием, при этом в оксидную матрицу может входить соединение химического элемента Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, В, Sn, Ba, Та, Zr, Bi, при этом резонатор рамановского лазера образуют две волоконные брэгговские решетки, имеющие перпендикурярные лучу или наклонные штрихи и отражающие излучение первой стоксовой компоненты рамановского лазера.In particular, a Raman laser can be used as a radiation source for pumping a fiber laser when using fiberglass doped with germanium, phosphorus, and a combination of them as an amplifying fiber, while the compound of the chemical element Si, N, Ga, Al, Fe can enter the oxide matrix , F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi, while the Raman laser resonator is formed by two fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined strokes and reflecting the radiation of the first Stokes component of the Raman laser.

В частности, в дополнение к спектрально-селективному отражающему элементу может быть использован спектрально-селективный пропускающий элемент, такой как интерферометр Фабри-Перо, установленный в коллимированном пучке излучения в резонаторе лазера.In particular, in addition to a spectrally selective reflective element, a spectrally selective transmitting element, such as a Fabry-Perot interferometer mounted in a collimated radiation beam in a laser resonator, can be used.

В частности, в четырехзеркальном высокодобротном резонаторе могут быть расположены два нелинейных оптических кристалла, осуществляющие разные типы нелинейного преобразования спектра излучения волоконного лазера.In particular, two nonlinear optical crystals can be located in a four-mirror high-Q resonator, which implement different types of nonlinear transformation of the radiation spectrum of a fiber laser.

В частности, в качестве спектрально-селективного отражающего элемента используется волоконная брэгговская решетка с наклонными штрихами.In particular, a fiber Bragg grating with oblique strokes is used as a spectrally selective reflective element.

Данная задача решается за счет того, что в известном волоконном лазере с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, содержащем оптически связанные источник излучения накачки, волоконный линейный резонатор, включающий поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, волоконный модуль спектрального сведения для заведения излучения накачки в усиливающее волокно, спектрально-селективный отражающий элемент с одной стороны линейного резонатора, содержащий нелинейный оптический кристалл высокодобротный резонатор с другой стороны линейного резонатора, расположенный между высокодобротным резонатором и усиливающим волокном торец волокна, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, расположенный между торцом волокна и высокодобротным резонатором фокусирующий элемент, фокусирующий выходящее из торца волокна излучение в высокодобротный резонатор и согласующий моду линейного резонатора с модой высокодобротного резонатора, согласно изобретению в высокодобротном резонаторе расположен оптический элемент, одна из двух плоских рабочих поверхностей которого, имеющих просветляющие покрытия, перпендикулярна падающему пучку излучения и служит выходным зеркалом линейного резонатора волоконного лазера, между торцом волокна и фокусирующим элементом расположен коллимирующий оптический элемент, а между фокусирующим элементом и коллимирующим элементом расположен поляризатор, отражающие поверхности которого наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса.This problem is solved due to the fact that in the known fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q cavity containing optically coupled pump radiation source, a linear fiber resonator including an amplifying fiber supporting a polarization of radiation, a fiber spectral information module for introducing pump radiation into an amplifying fiber A spectrally selective reflective element on one side of a linear resonator containing a nonlinear high-resolution optical crystal a brotn resonator on the other side of the linear resonator located between the high-Q resonator and the fiber reinforcing fiber, the end face of the fiber not reflecting the laser radiation back into this fiber, the focusing element located between the fiber end and the high-Q resonator focusing the radiation emerging from the fiber end into the high-Q resonator and matching the linear mode resonator with a high-Q resonator mode, according to the invention, an optical element is located in the high-Q resonator, one of two whose working surfaces, which have antireflection coatings, are perpendicular to the incident radiation beam and serve as the output mirror of the linear laser fiber resonator, there is a collimating optical element between the fiber end and the focusing element, and a polarizer located between the focusing element and the collimating element, whose reflective surfaces are inclined to the axis of the resonator laser at an angle of at least one degree.

В частности, спектрально-селективным элементом может являться волоконная брэгговская решетка или объемная дифракционная решетка.In particular, the spectrally selective element may be a fiber Bragg grating or a bulk diffraction grating.

В частности, отражение просветленной рабочей поверхности оптического элемента составляет для излучения лазера не более 1%.In particular, the reflection of the enlightened working surface of the optical element is not more than 1% for laser radiation.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является достижение увеличенной мощности выходного излучения и увеличенной эффективности нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе, а также достижение уменьшенной временной нестабильности интенсивности преобразованного излучения. Повышенная мощность выходного излучения достигается за счет оптимального пропускания выходного зеркала резонатора, составляющего 99% и более. Использование в качестве выходного зеркала волоконного лазера просветленной рабочей поверхности нелинейного оптического кристалла с отражением излучения не более 1% является оптимальным для достижения максимальной выходной мощности волоконного лазера. По данным работы Liao et al. Optimization of Yb3+- doped double-clad fiber lasers using a new approximate analytical solution. Optics & Laser Technology, 43(1), 55-61 (2011) оптимальное пропускание выходного зеркала волоконного лазера составляет 99% и более. Повышенная эффективность нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе достигается за счет того, что в предложенном техническом решении высокодобротный резонатор имеет только одно частично пропускающее зеркало - то, через которое излучение лазера заводится в высокодобротный резонатор. Кроме того, дополнительное увеличение эффективности нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе достигается за счет использования в волоконном лазере поддерживающего поляризацию излучения усиливающего волокна и поляризатора, обеспечивающих линейную поляризацию лазерного излучения. Уменьшение временной нестабильности интенсивности преобразованного излучения достигается за счет частичной связи конфигураций двух резонаторов - часть высокодобротного резонатора является частью линейного резонатора лазера.The technical result provided by the given set of features is to achieve increased output radiation power and increased efficiency of nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q resonator, as well as achieving reduced temporal instability of the converted radiation intensity. The increased power of the output radiation is achieved due to the optimal transmission of the output mirror of the resonator, which is 99% or more. The use of an illuminated working surface of a nonlinear optical crystal with a radiation reflection of not more than 1% as an output mirror of a fiber laser is optimal for achieving a maximum output power of a fiber laser. According to Liao et al. Optimization of Yb3 + - doped double-clad fiber lasers using a new approximate analytical solution. Optics & Laser Technology, 43 (1), 55-61 (2011), the optimal transmittance of the output mirror of a fiber laser is 99% or more. The increased efficiency of nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q resonator is achieved due to the fact that in the proposed technical solution, a high-Q cavity has only one partially transmitting mirror - that through which laser radiation is introduced into a high-Q cavity. In addition, an additional increase in the efficiency of nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q cavity is achieved through the use of an amplifying fiber and a polarizer supporting polarization of radiation in a fiber laser, which provide linear polarization of laser radiation. A decrease in the temporal instability of the converted radiation intensity is achieved due to the partial coupling of the configurations of the two resonators — part of the high-Q cavity is part of the linear laser cavity.

Необходимо отметить, что ни одно отдельно взятое устройство не дает такого эффекта, какой дает совокупность заявленных признаков. До подачи данной заявки было неочевидно, что совокупность заявленных признаков позволит решить задачу увеличения мощности излучения лазера и увеличения эффективности нелинейного преобразования частот излучения в высокодобротном резонаторе, а также задачу уменьшения временной нестабильности интенсивности преобразованного излучения.It should be noted that no single device taken gives the effect that gives a combination of the claimed features. Prior to filing this application, it was not obvious that the combination of the claimed features would solve the problem of increasing the laser radiation power and increasing the efficiency of nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q cavity, as well as the task of reducing the temporal instability of the converted radiation intensity.

Сущность изобретения поясняется следующими схемами.The invention is illustrated by the following schemes.

На фиг. 1 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе: 1 - источник излучения накачки, 2 - спектрально-селективный отражающий элемент, 3 - волоконный модуль спектрального сведения, 4 - поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно, 5 - торец волокна линейного резонатора, 6 - коллимирующий оптический элемент, 7 - поляризатор, 8 - фокусирующий оптический элемент, 9 - входное зеркало высокодобротного резонатора, 10 - дихроичное зеркало высокодобротного резонатора, через которое преобразованное излучение 14 выходит из высокодобротного резонатора, 11 - нелинейный оптический кристалл, 12 - просветленная рабочая поверхность нелинейного оптического кристалла, 13 - высокодобротный резонатор, 15, 16 - зеркала высокодобротного резонатора, полностью отражающие излучение лазера.In FIG. 1 shows a diagram of a fiber laser with nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-quality four-mirror cavity: 1 — pump radiation source, 2 — spectrally selective reflecting element, 3 — spectral information fiber module, 4 — amplifying fiber supporting polarization of radiation, 5 — end of the linear cavity fiber 6 - collimating optical element, 7 - polarizer, 8 - focusing optical element, 9 - input mirror of a high-Q resonator, 10 - dichroic mirror of a high-Q resonance a torus through which the converted radiation 14 leaves the high-Q cavity, 11 is a nonlinear optical crystal, 12 is the enlightened working surface of the non-linear optical crystal, 13 is a high-Q cavity, 15, 16 are high-Q cavity mirrors that completely reflect the laser radiation.

На фиг. 2 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, состоящем из двух зеркал 9, 10 и призмы 17.In FIG. Figure 2 shows a diagram of a fiber laser with nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q resonator, consisting of two mirrors 9, 10 and prism 17.

На фиг. 3 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе, состоящем из двух зеркал 9 и 10.In FIG. Figure 3 shows a diagram of a fiber laser with nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q cavity, consisting of two mirrors 9 and 10.

На фиг. 4 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе с нелинейным оптическим элементом, имеющем вторую поверхность, ориентированую под углом Брюстера относительно пучка лазерного излучения.In FIG. Figure 4 shows a diagram of a fiber laser with nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-quality four-mirror resonator with a nonlinear optical element having a second surface oriented at a Brewster angle relative to the laser beam.

На фиг. 5 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента волоконной брэгговской решетки.In FIG. 5 is a diagram of a fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q cavity 13 using a fiber Bragg grating as a spectrally selective reflective element.

На фиг. 6 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента объемной дифракционной решетки. Заведение излучения на объемную дифракционную решетку производится через волоконный торец 18 линейного резонатора, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, и коллимирующий элемент 6.In FIG. 6 shows a diagram of a fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q cavity 13 using a volumetric diffraction grating as a spectrally selective reflecting element. The radiation is introduced into the bulk diffraction grating through the fiber end 18 of the linear resonator, which does not reflect the laser radiation back into this fiber, and the collimating element 6.

На фиг. 7 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента призмы в сочетании с отражающим зеркалом. Призма оптически связана с линейным резонатором через волоконный торец 18, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, и коллимирующий элемент 6.In FIG. 7 is a diagram of a fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q cavity 13 using a prism as a spectrally selective reflective element in combination with a reflecting mirror. The prism is optically coupled to the linear resonator through the fiber end 18, which does not reflect the laser radiation back into this fiber, and the collimating element 6.

На фиг. 8 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве спектрально-селективного отражающего элемента призмы Литтрова. Призма Литтрова оптически связана с линейным резонатором лазера через волоконный торец 18, не отражающий излучение лазера назад в это волокно, и коллимирующий элемент 6.In FIG. Figure 8 shows a diagram of a fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q cavity 13 using a Littrov prism as a spectrally selective reflective element. The Littrov prism is optically coupled to a linear laser resonator through a fiber end 18, which does not reflect the laser radiation back into this fiber, and a collimating element 6.

На фиг. 9 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13 с использованием в качестве накачки рамановского лазера, образованного рамановским усиливающим волокном 4 и двумя волоконными брэгговскими решетками 19, образующими резонатор рамановского лазера.In FIG. Figure 9 shows a diagram of a fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q cavity 13 using a Raman laser formed by a Raman amplifying fiber 4 and two fiber Bragg gratings 19 forming a Raman laser cavity as a pump.

На фиг. 10 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном резонаторе 13, содержащем два нелинейных кристалла 11 и 20, расположенных в перетяжках излучения между зеркалами 9-15 и 16-10. С этой схемой используются два дихроичных зеркала 15 и 10, позволяющих вывести из высокодобротного резонатора два пучка преобразованного излучения 14 и 21. Один кристалл может осуществлять преобразование излучения лазера во вторую гармонику, второй - осуществлять параметрическое преобразование спектра излучения лазера. В этой схеме выходным зеркалом линейного резонатора волоконного лазера служит ближайшая к усиливающему волокну просветленная рабочая поверхность нелинейного оптического кристалла, расположенного между зеркалами 9 и 15.In FIG. 10 is a diagram of a fiber laser with nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q cavity 13 containing two nonlinear crystals 11 and 20 located in the constrictions of radiation between mirrors 9-15 and 16-10. Two dichroic mirrors 15 and 10 are used with this scheme, allowing two beams of converted radiation 14 and 21 to be extracted from a high-Q resonator. One crystal can convert laser radiation to the second harmonic, and the second can carry out parametric conversion of the laser radiation spectrum. In this scheme, the illuminated working surface of the nonlinear optical crystal located between the mirrors 9 and 15 is the output mirror of the linear resonator of the fiber laser.

На фиг. 11 представлена схема волоконного лазера с нелинейным преобразованием частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе, содержащем нелинейный кристалл 11 с двумя рабочими брюстеровскими поверхностями и оптический элемент 24 с плоской просветленной рабочей поверхностью 12.In FIG. 11 is a diagram of a fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-quality four-mirror resonator containing a nonlinear crystal 11 with two working Brewster surfaces and an optical element 24 with a flat enlightened working surface 12.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Излучение накачки, генерируемое источником 1 оптического излучения накачки, через волоконный модуль спектрального сведения 3 попадает в усиливающее волокно 4, переводя усиливающую среду лазера в активное состояние; генерация лазера осуществляется в линейном резонаторе, зеркалами которого являются: спектрально-селективный отражающий элемент 2 и просветленная рабочая поверхность 12 нелинейного оптического кристалла 11, расположенного в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе 13; излучение от усиливающего волокна 4 попадает в высокодобротный резонатор 13 через торец волокна линейного резонатора 5, коллимирующий оптический элемент 6, поляризатор 7 и фокусирующий оптический элемент 8, служащий для согласования мод линейного и высокодобротного резонаторов. В качестве коллимирующего и фокусирующего элементов могут быть использованы как линзы, так и объективы. Отражающие поверхности поляризатора 7 наклонены к оси резонатора лазера на угол не менее одного градуса для того, чтобы излучение, отраженное от поверхностей поляризатора, не попадало назад в резонатор лазера. Выходное излучение лазера, проходя просветленную рабочую поверхность 12 нелинейного оптического кристалла 11, оказывается "запертым" в высокодобротном резонаторе 13, зеркала которого 15, 16 и 10 полностью отражают излучение лазера. Потери излучения лазера в резонаторе 13 определяются, в основном, пропусканием входного зеркала 9, имеющем значение в диапазоне 1-5%. Высокая добротность резонатора 13 позволяет существенно увеличивать в нем интенсивность лазерного излучения и значительно увеличивать эффективность нелинейного преобразования частот излучения в нелинейном кристалле 11. Спектрально-преобразованное излучение 14 выходит из высокодобротного резонатора через дихроичное зеркало 10, полностью отражающего излучение лазера и пропускающего преобразованное излучение. Для обеспечения линейной поляризации излучения волоконного лазера используется поддерживающее поляризацию излучения усиливающее волокно 4 и поляризатор 7. Торец волокна линейного резонатора 5 не отражает излучение лазера назад в это волокно за счет того, что имеет или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). Использование спектрально-селективного элемента 2 в резонаторе волоконного лазера позволяет сузить спектр излучения лазера для того, чтобы ширина спектра излучения лазера не превышала спектральную ширину синхронизма нелинейного кристалла 11, это позволяет нелинейно преобразовывать весь спектр излучения лазера.The pump radiation generated by the source 1 of optical pump radiation, through the fiber module spectral information 3 falls into the amplifying fiber 4, translating the amplifying medium of the laser in the active state; the laser is generated in a linear resonator, the mirrors of which are: a spectrally selective reflecting element 2 and an enlightened working surface 12 of a nonlinear optical crystal 11 located in a high-quality four-mirror resonator 13; the radiation from the amplifying fiber 4 enters the high-Q cavity 13 through the fiber end of the linear resonator 5, the collimating optical element 6, the polarizer 7 and the focusing optical element 8, which serves to match the modes of the linear and high-Q resonators. As a collimating and focusing element, both lenses and lenses can be used. The reflecting surfaces of the polarizer 7 are inclined to the axis of the laser cavity by an angle of at least one degree so that the radiation reflected from the surfaces of the polarizer does not fall back into the laser resonator. The laser output, passing through the enlightened working surface 12 of the nonlinear optical crystal 11, is “locked” in the high-Q cavity 13, the mirrors of which 15, 16, and 10 completely reflect the laser radiation. The laser radiation loss in the resonator 13 is determined mainly by the transmission of the input mirror 9, which has a value in the range of 1-5%. The high quality factor of the resonator 13 can significantly increase the intensity of laser radiation in it and significantly increase the efficiency of nonlinear conversion of radiation frequencies in a nonlinear crystal 11. The spectrally converted radiation 14 leaves the high-quality resonator through a dichroic mirror 10, which completely reflects the laser radiation and transmits the converted radiation. To ensure a linear polarization of the radiation of a fiber laser, a polarization-enhancing fiber 4 and a polarizer 7 are used. The end face of the fiber of the linear cavity 5 does not reflect the laser radiation back into this fiber due to the fact that it has a cleaving angle of at least 8 degrees or the end ends coreless fiber. The use of a spectrally selective element 2 in the fiber laser cavity allows narrowing the laser emission spectrum so that the width of the laser radiation spectrum does not exceed the spectral synchronism width of the nonlinear crystal 11, this allows non-linear conversion of the entire laser radiation spectrum.

При использовании в качестве спектрально-селективных отражающих элементов объемных (не волоконных) элементов, излучение из усиливающего волокна выводится через торец 18, также не отражающий излучение лазера назад в это волокно за счет того, что имеет или угол скола не менее 8-ми градусов, или торец оканчивается волокном без сердцевины (coreless fiber). При использовании призмы Литтрова, дифракционной решетки и пары "призма и отражающее зеркало" перестройка длины волны излучения лазера производится поворотом призмы или решетки.When using volumetric (non-fiber) elements as spectrally selective reflecting elements, the radiation from the amplifying fiber is output through the end 18, which also does not reflect the laser radiation back into this fiber due to the fact that it has a cleaving angle of at least 8 degrees, or the end ends with coreless fiber. When using a Littrov prism, a diffraction grating, and a pair of “prism and reflecting mirror”, the laser wavelength is tuned by turning the prism or grating.

Использование в качестве спектрально-селективного отражающего элемента волоконной брэгговской решетки с наклонными штрихами позволяет увеличить коэффициент поляризации излучения, так как волоконная брэгговская решетка с наклонными штрихами является поляризатором с высокой степенью поляризации излучения (X.P. Cheng et al. Tunable single polarization Yb3+- doped fiber ring laser by using intracavity tilted fiber Bragg grating. Proc. SPIE, v. 7134, 71342V (2008)).The use of an inclined dash fiber Bragg grating as a spectrally selective reflective element allows an increase in the radiation polarization coefficient, since an inclined dash fiber Bragg grating is a polarizer with a high degree of radiation polarization (XP Cheng et al. Tunable single polarization Yb3 + - doped fiber ring laser by using intracavity tilted fiber Bragg grating. Proc. SPIE, v. 7134, 71342V (2008)).

В четырехзеркальном высокодобротном резонаторе с оптическим элементом 23 выходным зеркалом линейного резонатора лазера является плоская просветленная поверхность оптического элемента, перпендикулярная лучу лазера. При этом нелинейный кристалл имеет рабочие поверхности, ориентированные под углом Брюстера, для минимизации потерь излучения при прохождении рабочих поверхностей нелинейного кристалла.In a four-mirror high-Q resonator with an optical element 23, the output mirror of the linear laser resonator is a planar illuminated surface of the optical element perpendicular to the laser beam. In this case, the nonlinear crystal has working surfaces oriented at a Brewster angle to minimize radiation losses when passing through the working surfaces of the nonlinear crystal.

Экспериментальная апробация предложенной схемы волоконного лазера с удвоением частот излучения в высокодобротном четырехзеркальном резонаторе, представленной на фиг. 7, продемонстрировала следующие результаты: при использовании легированного иттербием усиливающего волокна максимальная выходная мощность лазера на длине волны 536 нм составила 800 мВт при мощности излучения накачки 6 Вт на длине волны 976 нм, диапазон перестройки длины волны излучения: 521-545 нм при мощности выходного излучения на краях рабочего спектрального диапазона 420 и 220 мВт соответственно, нестабильность интенсивности излучения второй гармоники была не более 1% (среднеквадратичная величина). Ширина спектра фундаментального излучения (0,5 нм) не превышала спектральной ширины синхронизма (1,8 нм) нелинейного оптического кристалла LBO, используемого в режиме некритического синхронизма.Experimental testing of the proposed fiber laser circuit with doubling the radiation frequencies in the high-quality four-mirror cavity shown in FIG. 7, showed the following results: when using a ytterbium-doped amplifying fiber, the maximum laser output power at a wavelength of 536 nm was 800 mW with a pump radiation power of 6 W at a wavelength of 976 nm, the tuning range of the radiation wavelength: 521-545 nm with output radiation power at the edges of the working spectral range of 420 and 220 mW, respectively, the instability of the radiation intensity of the second harmonic was no more than 1% (rms value). The width of the spectrum of fundamental radiation (0.5 nm) did not exceed the spectral width of the phase matching (1.8 nm) of the nonlinear optical LBO crystal used in the non-critical phase matching mode.

Claims

1. A fiber laser with nonlinear frequency conversion of radiation in a high-Q resonator, containing optically coupled pump radiation source, a linear fiber resonator, including an amplifying fiber supporting polarization of radiation, a fiber spectral information module for introducing pump radiation into an amplifying fiber, a spectrally selective reflective element with one side of the linear resonator, containing a nonlinear optical crystal high-Q resonator on the other side of the linear resonator an end located between the high-Q resonator and the amplifying fiber, the fiber end, not reflecting the laser radiation back into this fiber, the focusing element located between the fiber end and the high-Q resonator, focusing the radiation emerging from the fiber end into the high-Q resonator and matching the linear cavity mode with the high-Q cavity mode, characterized in that one of the two flat working surfaces of a nonlinear crystal having antireflection coatings is perpendicular to the incident Ku radiation and serves as the output mirror linear resonator fiber laser, between the fiber end and the focusing element is located collimating optical element, and between the focusing element and the collimating element is a polarizer with passage to the surfaces of laser radiation having a tilt angle to the laser resonator axis not less than one degree.

2. The laser according to claim 1, characterized in that the high-Q resonator is made in a four-mirror configuration.

3. The laser according to claim 1, characterized in that the high-Q cavity is made in a three-mirror configuration using two mirrors and a prism.

4. The laser according to claim 1, characterized in that the high-Q resonator is made in a two-mirror configuration.

5. The laser according to claim 1, characterized in that the spectrally selective reflective element is a prism in combination with a reflecting mirror or a Littrov prism with a reflective coating on the surface onto which the laser beam normally incident after refraction on the input surface of the prism.

6. The laser according to claim 1, characterized in that the second flat working surface of the nonlinear crystal, which is not the output mirror of the resonator, is oriented at a Brewster angle relative to the laser beam.

7. The laser according to claim 1, characterized in that the spectrally selective reflective element is a fiber Bragg grating or a bulk diffraction grating.

8. The laser according to claim 1, characterized in that the reflection of the working surfaces of the nonlinear crystal is not more than 1% for laser radiation.

9. The laser according to claim 1, characterized in that the transmission of the input mirror of the high-Q cavity for laser radiation has a value in the range of 1-5%.

10. The laser according to claim 1, characterized in that the nonlinear optical crystal is a crystal for doubling the generation frequencies or for parametric or forced Raman conversion of the generation frequencies.

11. The laser according to claim 1, characterized in that both the glass optical fiber and the glass optical fiber doped with rare earth elements or doped with germanium and phosphorus oxides, as well as a combination thereof, are used as the reinforcing fiber, while the oxide matrix may include compound of a chemical element Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi.

12. The laser according to claim 1, characterized in that the radiation source of the fiber laser pump is a Raman laser when using fiberglass doped with germanium and phosphorus oxides as an amplifying fiber, as well as a combination thereof, and the compound of the chemical element Si can enter the oxide matrix , N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi, and the Raman laser cavity is formed by two fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined lines and reflecting the radiation of the first oksovoy components of the Raman laser.

13. The laser according to claim 1, characterized in that a spectrally selective transmitting element, such as, for example, a Fabry-Perot interferometer, is located in a collimated radiation beam in the laser cavity.

14. The laser according to claim 1, characterized in that in the four-mirror high-Q cavity there are two nonlinear optical crystals for different types of nonlinear conversion of the radiation spectrum of the fiber laser.

15. A fiber laser with nonlinear conversion of radiation frequencies in a high-Q resonator, containing optically coupled pump radiation source, a linear fiber resonator, including an amplifying fiber supporting a polarization of radiation, a fiber spectral information module for introducing pump radiation into an amplifying fiber, a spectrally selective reflective element with one side of the linear resonator containing a nonlinear optical crystal high-Q resonator on the other side of the linear resonator an end located between the high-Q resonator and the amplifying fiber, the fiber end, not reflecting the laser radiation back into this fiber, the focusing element located between the fiber end and the high-Q resonator, focusing the radiation emerging from the fiber end into the high-Q resonator and matching the linear cavity mode with the high-Q cavity mode, characterized in that in the high-quality resonator an optical element is located, one of two flat working surfaces of which having It has a protective coating that is perpendicular to the incident radiation beam and serves as the output mirror of the linear laser fiber resonator, a collimating optical element is located between the fiber end and the focusing element, and a polarizer is located between the focusing element and the collimating element with laser pass surfaces having an angle of inclination to the laser resonator axis not less than one degree.

16. The laser according to claim 15, characterized in that the high-Q resonator is made in a four-mirror configuration.

17. The laser according to claim 15, characterized in that the optical element is mounted in a high-Q cavity in the constriction of the radiation beam.

18. The laser according to claim 15, characterized in that the spectrally selective reflective element is a fiber Bragg grating or a bulk diffraction grating.

19. The laser according to claim 15, characterized in that the spectrally selective reflective element is a prism in combination with a reflecting mirror or a Littrov prism with a reflective coating on the surface onto which the laser beam normally incident after refraction on the input surface of the prism.

20. The laser according to claim 15, characterized in that the reflection of the working surfaces of the optical element is not more than 1% for laser radiation.

21. The laser according to claim 15, characterized in that the transmission of the input mirror of the high-Q resonator for laser radiation has a value in the range of 1-5%.

22. The laser according to claim 15, characterized in that the nonlinear optical crystal is a crystal for doubling the generation frequencies or for parametric or forced Raman conversion of the generation frequencies.

23. The laser according to claim 15, characterized in that both the glass optical fiber and the glass optical fiber doped with rare-earth elements or doped with germanium and phosphorus oxides, as well as a combination thereof, can be used as an amplifying fiber, in addition to an oxide matrix may include a compound of a chemical element Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi.

24. The laser according to claim 15, characterized in that the Raman laser can be used as a radiation source for a fiber laser when using fiberglass doped with germanium and phosphorus oxides as a reinforcing fiber, as well as a combination thereof, and a chemical element compound can enter the oxide matrix Si, N, Ga, Al, Fe, F, Ti, B, Sn, Ba, Ta, Zr, Bi, and the Raman laser cavity is formed by two fiber Bragg gratings having perpendicular to the beam or inclined lines and reflecting radiation howling Stokes component of a Raman laser.

25. The laser according to claim 15, characterized in that a spectrally selective transmitting element, such as, for example, a Fabry-Perot interferometer, is located in a collimated radiation beam in the laser cavity.