RU2797691C1

RU2797691C1 - Fiber optical quantum sweep generator with positive distributed feedback

Info

Publication number: RU2797691C1
Application number: RU2022127956A
Authority: RU
Inventors: Виталий Евгеньевич Поляков; Александр Владимирович Емельянов; Александр Александрович Закутаев; Владислав Владимирович Широбоков; Виталий Викторович Какаев
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2023-06-07

Abstract

FIELD: laser technology.

SUBSTANCE: fibre optical quantum sweep generator with positive distributed feedback containing an active medium in the form of a polymeric active fibre, the core of which is made on an epoxy or cycloaliphatic oligomer activated by organic dye molecules and cured with fine glass powders with a specific surface activated by reactive groups. The fibre is in contact with the leg face of a rectangular prism. The sweep generator comprises a pumping source, an optical pumping system consisting of cylindrical and spherical lenses, and a reflective mirror fixed on a piezoelectric element in the form of a rectangular plate polarized in thickness and equipped with two electrodes, to which a voltage of opposite polarity is applied from the generator, providing a sweep reflective mirror and changing the angle of incidence of the pump radiation. The pump radiation from the mirror on the piezoplate is directed through the optical wedge to the hypotenuse face of the prism to pump the fibre core.

EFFECT: improved radiation quality.

1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для организации лазерных линий связи и открытой космической оптической связи на основе лазера с качающейся частотой, называемого свип-генератором, с возможностью кодирования передаваемой информации.The invention relates to laser technology and can be used to organize laser communication lines and open space optical communication based on a laser with a swept frequency, called a sweep generator, with the ability to encode transmitted information.

1. Известен свип-генератор электромагнитных колебаний, частота (длина волны) которых автоматически меняется в определенных пределах [1]. Частота качается возле среднего значения, поэтому колебания носят название качающейся частоты. Название свип-генератора происходит от английского слова sweep, что в переводе означает «постоянное движение». Свип-генератор используется при настройке и измерении параметров радиотехнической аппаратуры, в которой регистрируют фазочастотные и амлитудно-частотные характеристики элементов устройств СВЧ. Свип-генератор позволяет получать качание частоты (длины волны) электромагнитных колебаний разных участков спектра, с диапазоном от нескольких мегагерц до сотен мегагерц. Характеристики исследуемых объектов можно изучать при помощи свип-генератора в совокупности с осциллографом.1. A sweep generator of electromagnetic oscillations is known, the frequency (wavelength) of which automatically changes within certain limits [1]. The frequency wobbles around the mean value, so the fluctuations are called frequency wobble. The name of the sweep generator comes from the English word sweep, which means “constant movement”. The sweep generator is used in tuning and measuring the parameters of radio equipment, in which the phase-frequency and amplitude-frequency characteristics of the elements of microwave devices are recorded. The sweep generator makes it possible to obtain a frequency swing (wavelength) of electromagnetic oscillations in different parts of the spectrum, with a range from several megahertz to hundreds of megahertz. The characteristics of the objects under study can be studied using a sweep generator in conjunction with an oscilloscope.

Свип-генератор содержит частотный модулятор, задающий генератор, резонансный частотомер и систему авторегулирования мощности. Резонансный частотомер, или кварцевый калибратор, применяется при получении на экране осциллографа частотных меток. В последнее время наблюдается тенденция на совмещение в одном генераторе сразу нескольких устройств для компактности и многофункциональности. В частности, генератор сигналов может быть одновременно функциональным генератором, свип-генератором, частотомером и генератором импульсов. Свип-генератор, подключенный к микроволновой антенне, может быть использован как передатчик в системах радио- и космической связи [1].The sweep generator contains a frequency modulator, a master oscillator, a resonant frequency meter, and an automatic power control system. A resonant frequency meter, or a quartz calibrator, is used when receiving frequency marks on the oscilloscope screen. Recently, there has been a tendency to combine several devices in one generator at once for compactness and versatility. In particular, the signal generator may be a function generator, a sweep generator, a frequency counter, and a pulse generator at the same time. A sweep generator connected to a microwave antenna can be used as a transmitter in radio and space communication systems [1].

Системы радиосвязи и космической связи со свип-генератором СВЧ-диапазона структурно подобны системам оптической связи, использующим электромагнитные колебания оптического диапазона обычно с применением лазеров, но обладают по сравнению с последними рядом недостатков. Связь с помощью лазерного луча более привлекательна по нескольким причинам. Направленность лазерного луча, которая определяется дифракцией, выражается через угол расходимости Φ=1,27λ_л/D_λ, где λ_л - длина волны излучения, D_λ - диаметр пучка в самом узком месте, либо внутри (перетяжка), либо на выходе резонатора. Выражение для расчета ушла расходимости применимо и для диаграммы направленности излучения микроволновой антенны диаметром D_м, работающей на длине волны λ_м. Чтобы микроволновый передатчик имел такую же расходимость как и лазерный, диаметр его антенны должен быть равен D_м=(λ_м/λ_л)/D_л. Если диаметр перетяжки 1 мм, то микроволновая антенна должна иметь диаметр 100 м, для достижения такой же направленности что и лазерная.Radio communication and space communication systems with a microwave sweep generator are structurally similar to optical communication systems that use electromagnetic oscillations of the optical range, usually with the use of lasers, but have a number of disadvantages compared to the latter. Laser beam communication is more attractive for several reasons. The directivity of the laser beam, which is determined by diffraction, is expressed through the angle of divergence Φ=1.27λ _l /D _λ , where λ _l is the radiation wavelength, D _λ is the beam diameter at the narrowest point, either inside (waist) or at the exit of the resonator . The expression for calculating the divergency is also applicable to the radiation pattern of a microwave antenna with a diameter D _m operating at a wavelength λ _m . In order for a microwave transmitter to have the same divergence as a laser one, the diameter of its antenna must be equal to D _m =(λ _m /λ _l )/D _l . If the waist diameter is 1 mm, then the microwave antenna must have a diameter of 100 m to achieve the same directivity as the laser.

Другое преимущество лазерного пучка - это способность передачи информации в системах связи. Так количество информации, которое может переноситься электромагнитной волной за 1 с, пропорционально ширине полосы пропускания канала черно-белого телевидения, равной 4 МГц, т.е. может переноситься в 1000 раз больше информации, чем телефонным сигналом с шириной полосы 4 кГц. Например, ширина полосы лазера на стекле, активированного неодимом, который генерирует в режиме синхронизации мод импульсы длительностью 30 пс равна приблизительно 1/30 пс или 30 ГГц. Имея такую ширину полосы, можно передавать около 5 миллионов цветных изображений с помощью одного лазерного луча телевизионной ретрансляционной системой, имеющей ширину полосы 20 МГц. Таким образом, лазерную оптическую связь рассматривают как одну из перспективных линий связи, особенно в направлении использования оптических квантовых свип-генераторов с возможностью кодирования передаваемой информации.Another advantage of the laser beam is the ability to transmit information in communication systems. So the amount of information that can be carried by an electromagnetic wave in 1 s is proportional to the bandwidth of the black-and-white television channel, equal to 4 MHz, i.e. can carry 1000 times more information than a telephone signal with a bandwidth of 4 kHz. For example, the bandwidth of a neodymium-doped glass laser that generates 30 ps mode-locked pulses is approximately 1/30 ps or 30 GHz. With this bandwidth, about 5 million color images can be transmitted with a single laser beam by a television relay system having a bandwidth of 20 MHz. Thus, laser optical communication is considered as one of the promising communication lines, especially in the direction of using optical quantum sweep generators with the ability to encode transmitted information.

Недостатком известного устройства является то, что микроволновый передатчик имеет большую расходимость пучка и для ее уменьшения требуется значительное увеличение диаметра антенны. Кроме того, количество информации, передаваемой посредством электромагнитной волны, пропорционально ширине полосы пропускания и составляет небольшую величину.The disadvantage of the known device is that the microwave transmitter has a large beam divergence and to reduce it requires a significant increase in the diameter of the antenna. In addition, the amount of information transmitted by an electromagnetic wave is proportional to the bandwidth and is small.

2. Известен оптический квантовый свип-генератор (лазер на красителях со светоиндуцированной распределенной обратной связью) [2].2. Known optical quantum sweep generator (dye laser with light-induced distributed feedback) [2].

В области пересечения двух интенсивных монохроматических лучей в прозрачной или поглощающей среде возникает интерференционная картина, которая вызывает пространственную модуляцию оптических параметров среды. В зависимости от обратимости изменений, происходящих в среде, получается голограмма (динамическая или стационарная, объемная или плоская).In the area of intersection of two intense monochromatic rays in a transparent or absorbing medium, an interference pattern arises, which causes spatial modulation of the optical parameters of the medium. Depending on the reversibility of the changes occurring in the medium, a hologram is obtained (dynamic or stationary, volumetric or flat).

Плоские голограммы-интерферограммы, получаемые в слоях голографической эмульсии, широко используются как дифракционные решетки и успешно применяются в спектральных приборах и резонаторах.Plane holograms-interferograms obtained in layers of a holographic emulsion are widely used as diffraction gratings and are successfully used in spectral devices and resonators.

Дальнейшим шагом в технике перестройки частоты генерации лазеров было использование таких решеток в лазерах на красителях. При этом необходимо, чтобы рассеянные волны (при выполнении условий Брэгга) усиливались в активной среде.A further step in the technique of laser frequency tuning was the use of such gratings in dye lasers. In this case, it is necessary that the scattered waves (if the Bragg conditions are satisfied) be amplified in the active medium.

В случае, если такая периодическая структура возникает за счет локальных изменений коэффициентов преломления и усиления, она может рассматриваться как резонатор с распределенной обратной связью (РОС).If such a periodic structure arises due to local changes in the refractive index and gain, it can be considered as a distributed feedback resonator (DFB).

В РОС-лазерах периодические изменения коэффициента преломления и усиления образуют систему полупрозрачных зеркал. Для участка спектра люминесценции, длины волн которого удовлетворяют равенству: Τ=mλ/2, где Τ - период одномерной структуры, а m=1, 2, 3 - порядок дифракции Брэгга, наиболее интенсивное рассеяние соответствует m=1.In DFB lasers, periodic changes in the refractive index and gain form a system of semitransparent mirrors. For the section of the luminescence spectrum, the wavelengths of which satisfy the equation: Τ=mλ/2, where Τ is the period of the one-dimensional structure, and m=1, 2, 3 is the Bragg diffraction order, the most intense scattering corresponds to m=1.

Указанное условие приводит к тому, что в каждой точке периодической структуры волна, распространяющаяся направо, получает подпитку за счет брегговского рассеяния энергии от волны, идущей налево, и наоборот. Вследствие этого образуется обратная, связь, которая существует по всей длине активного элемента [3].This condition leads to the fact that at each point of the periodic structure, the wave propagating to the right is fed by the Bragg scattering of energy from the wave propagating to the left, and vice versa. As a result, a feedback is formed, which exists along the entire length of the active element [3].

Численные оценки характеристик лазеров с распределенной обратной связью связаны с численным решением уравнений вида:Numerical estimates of the characteristics of lasers with distributed feedback are associated with the numerical solution of equations of the form:

где γ - собственные значения постоянной распространения для заданных L и K. Для определенной длины активной среды L и константы связи K решения носят дискретный характер по коэффициенту усиления а и по связанной с ним приведенной частоте генерации δ.where γ are the eigenvalues of the propagation constant for given L and K. For a certain length of the active medium L and the coupling constant K, the solutions are discrete in terms of the gain a and the associated reduced generation frequency δ.

Постоянная распространения γ определяет основные характеристики активной среды с распределенной обратной связью: спектр мод генерации, порог генерации, распределение интенсивности вдоль активной среды.The propagation constant γ determines the main characteristics of an active medium with distributed feedback: the spectrum of generation modes, the generation threshold, and the intensity distribution along the active medium.

В процессе своего развития РОС-лазеры использовали преимущественно два типа активных сред: жидкие растворы органических красителей, размещенные в кювете, и твердые растворы органических красителей в различных типах стекол и полимерных материалов.In the course of their development, DFB lasers used mainly two types of active media: liquid solutions of organic dyes placed in a cell and solid solutions of organic dyes in various types of glasses and polymeric materials.

РОС-лазеры на базе «активной призмы» (фиг. 1) содержат: цилиндрическую телескопическую систему (ЦТС), с помощью которой излучение накачки, сформированное в полоску, подается на светоделитель R₁ и делится на два пучка. С помощью зеркал R излучение сводится на элемент с активной средой. Входная грань активного элемента находится в контакте с призмой из прозрачного диэлектрика. Одновременным разворотом зеркал R осуществляется изменение угла интерференции пучков накачки в активной среде; тем самым осуществляется перестройка длины волны генерации.DFB lasers based on an "active prism" (Fig. 1) contain: a cylindrical telescopic system (CTS), with the help of which the pump radiation, formed into a strip, is fed to the beam splitter R ₁ and is divided into two beams. With the help of mirrors R, the radiation is reduced to an element with an active medium. The input face of the active element is in contact with a prism of a transparent dielectric. Simultaneous rotation of the mirrors R changes the interference angle of the pump beams in the active medium; thus, the generation wavelength is tuned.

Схема, представленная на фиг. 1, реализована в серийно выпускаемом лазере типа «ГНОМ».The scheme shown in Fig. 1 is implemented in a commercially available GNOM-type laser.

Широкое распространение получили также РОС-лазеры со светоиндуцированной обратной связью на базе «активной призмы», оптическая схема одного из которых приведена на фиг. 2.Also widely used are DFB lasers with light-induced feedback based on an "active prism", the optical scheme of one of which is shown in Fig. 2.

В этом случае излучение накачки

направляется на гипотенузную грань прямоугольной призмы. Одна из граней находится в контакте с генерирующим красителем. Часть излучения проникает в активное тело непосредственно, а другая часть - после отражения от противоположной катетной грани. Интерферируя внутри активной среды, пучки накачки создают условия для возникновения генерации на основе РОС, которая возникает в активной среде в результате нарушения полного внутреннего отражения на границе призмы.In this case, the pump radiation

is directed to the hypotenuse face of a rectangular prism. One of the faces is in contact with the generating dye. Part of the radiation penetrates the active body directly, and the other part - after reflection from the opposite leg face. By interfering inside the active medium, the pump beams create conditions for the occurrence of DFB-based generation, which arises in the active medium as a result of violation of total internal reflection at the prism boundary.

Соотношение между длинами волн генерации и накачки задается уравнением:The relation between the generation and pump wavelengths is given by the equation:

где n_пр - коэффициент преломления материала призмы, а n_ас - активной среды, φ - угол преломления.where n _pr is the refractive index of the prism material, and n _ac is the active medium, φ is the angle of refraction.

РОС-лазеры на красителях получили широкое распространение как источники, плавно перестраиваемые по спектру излучения. РОС-лазеры выгодно отличаются от обычных резонаторных устройств миниатюрностью размеров, простотой, удобством и надежностью в эксплуатации, способностью функционировать в частотном режиме без прокачки активной среды, возможностью получать перестраиваемые по спектру импульсы пикосекундной длительности как при пико- так и при наносекундной накачке. Коэффициент полезного действия (КПД) РОС-лазеров при ширине спектральной линии 0,01 нм достигает 50% и обычно значительно превышает КПД резонаторного лазера. И, наконец, для своего функционирования РОС-лазер не требует сложных устройств типа интерферометра Фабри-Перо или дифракционной решетки [4].Dye DFB lasers are widely used as sources that are smoothly tunable in the emission spectrum. DFB lasers favorably differ from conventional resonator devices in their miniature size, simplicity, convenience, and reliability in operation, the ability to operate in the frequency mode without pumping the active medium, and the ability to obtain picosecond pulses tunable over the spectrum both with pico- and nanosecond pumping. The efficiency factor (COP) of DFB lasers with a spectral linewidth of 0.01 nm reaches 50% and usually significantly exceeds the efficiency of a resonator laser. And, finally, for its operation, a DFB laser does not require complex devices such as a Fabry-Perot interferometer or a diffraction grating [4].

Недостатками РОС-лазеров, использующих жидкие растворы органических красителей, являются различные показатели преломления активной среды n_cр (жидкость) и призмы n_пр (твердое тело), что связано с отражением излучения накачки на границе. Кроме этого, изменение температуры у жидких сред на 1 градус больше, чем у твердых, что ведет к повышению чувствительности (нестабильности) длины волны генерации к изменению температуры окружающей среды. Качание (свипирование) длины волы излучения (частоты) активной среды на жидком растворе органического красителя в пределах спектра излучения использованного красителя осуществляется медленно и неудобно - поворотом двух зеркал (активная призма) или одним зеркалом (активный катет), изменяя угол падения излучения накачки с помощью микрометрических винтов.Disadvantages of DFB lasers using liquid solutions of organic dyes are different refractive indices of the active medium n _cp (liquid) and prism n _pr (solid body), which is associated with the reflection of pump radiation at the interface. In addition, the temperature change in liquid media is 1 degree greater than in solid media, which leads to an increase in the sensitivity (instability) of the generation wavelength to changes in ambient temperature. Swinging (sweeping) of the radiation wavelength (frequency) of the active medium on a liquid solution of an organic dye within the radiation spectrum of the used dye is carried out slowly and inconveniently - by turning two mirrors (active prism) or one mirror (active leg), changing the angle of incidence of the pump radiation using micrometer screws.

3. Известен оптический квантовый свип-генератор, у которого активный элемент РОС-лазера выполнен в виде полимерного моноблока [5]. Использование активных элементов на основе эпоксиполимерных матриц в РОС-лазерах кроме обычных преимуществ, связанных с удобством в обращении с твердотельной матрицей, дает, по сравнению с раствором, возможность существенно повысить температурную стабильность спектральной линии генерации РОС-лазера.3. An optical quantum sweep generator is known, in which the active element of a DFB laser is made in the form of a polymer monoblock [5]. The use of active elements based on epoxy polymer matrices in DFB lasers, in addition to the usual advantages associated with the convenience of handling a solid-state matrix, makes it possible, in comparison with a solution, to significantly increase the temperature stability of the spectral generation line of a DFB laser.

Длина волны генерации РОС-лазера может быть определена из выражения:The generation wavelength of a DFB laser can be determined from the expression:

где θ - угол падения излучения накачки на границу раздела призма - активный элемент; n_ас, n_пр - показатели преломления активной среды и призмы; λ_ген - длина волны излучения. В РОС-лазерах важным фактором, определяющим стабильность длины волны генерации, является температурное изменение показателя преломления активной среды и призмы. Изменение длины волны генерации при изменении температуры излучателя на ΔΤ, вызванное изменением показателей преломления, определяется формулой:where θ is the angle of incidence of the pump radiation on the interface between the prism and the active element; n _ac , n _pr - refractive indices of the active medium and prism; λ _gene - wavelength of radiation. In DFB lasers, an important factor determining the stability of the generation wavelength is the temperature change in the refractive index of the active medium and the prism. The change in the generation wavelength with a change in the temperature of the emitter by ΔΤ, caused by a change in the refractive indices, is determined by the formula:

где Т - температура излучателя лазера.where T is the temperature of the laser emitter.

В жидкостных РОС-лазерах основным источником температурной нестабильности является изменение показателя преломления раствора, порядок величины которого для стандартных растворителей приближенно равен 10^-4 град^-1. Это намного больше, чем у стекол, употребляемых в качестве материала призм (около 10^-5 град^-1). Использование в качестве активного элемента эпоксиполимера (ЭП) с внедренным красителем (dn/dT=6⋅10^-5 град^-1) позволяет повысить температурную стабильность длины волны генерации РОС-лазера по сравнению с этанолом (растворителем) почти на порядок.In liquid DFB lasers, the main source of temperature instability is the change in the refractive index of the solution, the order of magnitude of which for standard solvents is approximately equal to 10 ^-4 deg ^-1 . This is much more than that of glasses used as a material for prisms (about 10 ^-5 deg ^-1 ). The use of an epoxy polymer (EP) with an embedded dye (dn/dT=6⋅10 ^-5 deg ^-1 ) as an active element makes it possible to increase the temperature stability of the DFB laser generation wavelength compared to ethanol (solvent) by almost an order of magnitude.

Кроме того, как видно из формулы (4), при показателе преломления активного элемента, сравнимом (или одинаковым) с показателем преломления призмы, возникает взаимная компенсация изменения показателя преломления активного элемента и призмы, т.к. знак изменения dn/dT при одинаковом изменении температуры у большинства веществ одинаков.In addition, as can be seen from formula (4), when the refractive index of the active element is comparable (or the same) with the refractive index of the prism, there is a mutual compensation for the change in the refractive index of the active element and the prism, because the sign of the change in dn/dT with the same change in temperature is the same for most substances.

Для изучения генерационных характеристик эпоксиполимеров, активированных красителями, в лазерах с РОС использовалась схема, приведенная на фиг. 3. Оптический контакт между призмой 10 из стекла марки ТФ5 и активным элементом из эпоксиполимера 12 осуществлялся посредством иммерсионной жидкости, в качестве которой был выбран глицерин. Активными элементами служили образцы из ЭП, активированные красителями родамином 6Ж, родамином С и оксазином 17, с размерами (10×15×3) мм и концентрацией красителя 10^-3 г/г. Накачка осуществлялась второй гармоникой АИГ: Nd³⁺-лазером с частотой повторения импульсов от 1 Гц до 25 Гц. Спектральная ширина линии накачки составляла 0,001 нм [6].To study the generation characteristics of dye-activated epoxy polymers in DFB lasers, we used the scheme shown in Fig. 3. Optical contact between prism 10 made of TF5 glass and an active element made of epoxy polymer 12 was carried out by means of an immersion liquid, for which glycerol was chosen. The active elements were EP samples activated with dyes rhodamine 6G, rhodamine C and oxazine 17, with dimensions (10×15×3) mm and a dye concentration of 10 ^-3 g/g. Pumping was performed by the second harmonic of a YAG: Nd ³⁺ laser with a pulse repetition rate from 1 Hz to 25 Hz. The spectral width of the pump line was 0.001 nm [6].

В этих условиях была получена генерация на основе РОС с частотой следования импульсов, повторяющей накачку. Ширина спектральной линии генерации составляла 0,04 нм. Диапазон перестройки (качание длины волны, частоты) РОС-лазера на основе родамина 6Ж - 554-604 нм, вокруг среднего значения 585 нм. Максимальный КПД на длине волны генерации 585 нм - 10%. Для родамина С диапазон перестройки вокруг среднего значения 628 нм оказался 605-667 нм. Максимальный КПД на длине волны 628 нм - 12%. Лазер на основе оксазина 17 перестраивался в пределах 635-672 нм и имел максимальный КПД равный 3% на средней длине волны 625 нм. Поляризация излучения РОС-лазера во всех случаях полностью совпадала с поляризацией излучения накачки. Приведенные характеристики РОС-лазеров были получены с использованием схемы измерений, представленной на фиг. 3, где 1 - источник оптической накачки (твердотельный лазер ИΑΓ:Νd³⁺); 2 - отражательное зеркало; 3 - калориметр; 4 -цилиндрическая линза; 5 - сферическая линза; 6 - светоделительное зеркало; 7-8 - линия задержки; 9 - отражательное зеркало; 10 - активная призма; 11 - отражательное зеркало; 12 - активная среда; 13 - светоделительное зеркало; 14 - отражательное зеркало; 15 - спектрограф дифракционный; 16 - интерферометр Фабри-Перо.Under these conditions, DFB-based lasing was obtained with a pulse repetition rate repeating pumping. The width of the spectral line of generation was 0.04 nm. The tuning range (wavelength swing, frequency) of the ROS-laser based on rhodamine 6G is 554-604 nm, around the average value of 585 nm. The maximum efficiency at a generation wavelength of 585 nm is 10%. For rhodamine C, the tuning range around the mean value of 628 nm was found to be 605-667 nm. The maximum efficiency at a wavelength of 628 nm is 12%. The laser based on oxazine 17 was tuned in the range of 635–672 nm and had a maximum efficiency of 3% at an average wavelength of 625 nm. The polarization of the DFB laser radiation in all cases completely coincided with the polarization of the pump radiation. The reported characteristics of DFB lasers were obtained using the measurement setup shown in FIG. 3, where 1 is the source of optical pumping (solid-state laser ИΑΓ:Νd ³⁺ ); 2 - reflective mirror; 3 - calorimeter; 4 - cylindrical lens; 5 - spherical lens; 6 - beam-splitting mirror; 7-8 - delay line; 9 - reflective mirror; 10 - active prism; 11 - reflective mirror; 12 - active medium; 13 - beam-splitting mirror; 14 - reflective mirror; 15 - diffraction spectrograph; 16 - Fabry-Perot interferometer.

Был также реализован малогабаритный перестраиваемый лазер в виде цельного моноблока из ЭП. Призма была выполнена из неактивированного красителем ЭП. Поскольку внедрение красителя в эпоксиполимер практически не влияет на его показатель преломления, а склейка активного элемента (ЭП с красителем) и призмы осуществляется с помощью той же эпоксидной (кремнийорганической) смолы, то на границе раздела активного элемента и призмы полностью отсутствуют потери на отражение. Для уменьшения потерь на отражение от гипотенузной грани угол между нею и катетной гранью (в контакте с последней находится активный элемент) должен быть равен углу падения накачки на активный элемент, необходимому для получения генерации на основе РОС на длине волны, соответствующей середине диапазона перестройки генерации РОС-лазера. В случае нарушения условия полного внутреннего отражения на катетной грани, на нее наносится алюминиевое покрытие.A small-sized tunable laser was also implemented in the form of an integral monoblock made of EB. The prism was made of EP that was not activated with the dye. Since the introduction of a dye into an epoxy polymer practically does not affect its refractive index, and the active element (EP with a dye) and the prism are glued using the same epoxy (organosilicon) resin, there are no reflection losses at the interface between the active element and the prism. To reduce reflection losses from the hypotenuse face, the angle between it and the leg face (the active element is in contact with the latter) should be equal to the angle of incidence of the pump on the active element, which is necessary to obtain DFB-based lasing at a wavelength corresponding to the middle of the DFB generation tuning range -laser. In case of violation of the condition of total internal reflection on the leg face, an aluminum coating is applied to it.

Существенным преимуществом данного лазера является повышенная температурная стабильность длины волны генерации. Температурное изменение показателя преломления у ЭП почти на порядок меньше; чем у стандартных растворителей, используемых в жидкостных лазерах на красителях.A significant advantage of this laser is the increased temperature stability of the generation wavelength. The temperature change in the refractive index of the EP is almost an order of magnitude smaller; than standard solvents used in liquid dye lasers.

Кроме того, устройство выполнено из материалов с одинаковым показателем преломления, что согласно формуле (4) устраняет зависимость длины волны генерации от показателя преломления. При нормальном падении излучения накачки на гипотенузную грань призмы зависимость длины волны генерации от температуры практически отсутствует.In addition, the device is made of materials with the same refractive index, which, according to formula (4), eliminates the dependence of the generation wavelength on the refractive index. At normal incidence of the pump radiation on the hypotenuse face of the prism, the dependence of the generation wavelength on temperature is practically absent.

Для повышения температурной стабильности длины волны генерации цельный моноблочный активный элемент целесообразно использовать в РОС-лазер, схема которого дана на фиг. 1 и фиг. 2. Если излучателем служила, например, призма-кювета, состоящая из камеры с жидким раствором красителя и равнобедренной прямоугольной призмой из стекла, то показатель преломления растворителя и материала призмы подбирается так, чтобы угол падения излучения накачки на границу раздела призмы и активного элемента, равный 45°, соответствовал длине волны генерации, лежащей в середине области перестройки данного красителя согласно формуле (5). Допустимое изменение данного угла должно было обеспечивать перекрытие указанной области перестройки. Поскольку замена стандартной призмы-кюветы на моноблок из ЭП устраняет зависимость длины волны генерации от разницы показателей преломления активного элемента и прозрачной призмы, то для получения нужного угла падения на активный элемент необходим соответствующий подбор угла β при основании треугольной призмы. Расчет угла β производится по формуле:To increase the temperature stability of the generation wavelength, it is expedient to use an integral monoblock active element in a DFB laser, the scheme of which is given in Fig. 1 and FIG. 2. If the emitter was, for example, a cell prism consisting of a chamber with a liquid dye solution and an isosceles rectangular glass prism, then the refractive index of the solvent and the material of the prism is chosen so that the angle of incidence of the pump radiation on the interface between the prism and the active element is equal to 45° corresponded to the generation wavelength lying in the middle of the region of the given dye's tuning according to formula (5). An acceptable change in this angle should have covered the indicated area of adjustment. Since the replacement of a standard cell prism with a monoblock made of EP eliminates the dependence of the generation wavelength on the difference between the refractive indices of the active element and the transparent prism, then in order to obtain the desired angle of incidence on the active element, it is necessary to appropriately select the angle β at the base of the triangular prism. The angle β is calculated using the formula:

где n_пр - показатель преломления эпоксиполимерной призмы, n_ac - показатель преломления активного элемента.where n _CR is the refractive index of the epoxy polymer prism, n _ac is the refractive index of the active element.

При данных условиях накачки активный элемент из ЭП выдерживает 10⁴импульсов накачки без заметного ухудшения генерационных параметров. Ширина зоны возбуждения составляет 0,5 мм. После замены рабочей зоны активный элемент полностью восстанавливает свои параметры.Under the given pumping conditions, the active element made of the ED can withstand ¹⁰⁴ pump pulses without any noticeable deterioration in the lasing parameters. The width of the excitation zone is 0.5 mm. After replacing the working area, the active element fully restores its parameters.

Таким образом, активный элемент высотой 2 мм может сгенерировать 0,5⋅10⁶импульсов при плотности мощности накачки 500 кВт/см² без заметного ухудшения генерационных характеристик.Thus, an active element with a height of 2 mm can generate 0.5⋅10 ⁶ pulses at a pump power density of 500 kW/cm ² without any noticeable deterioration in generation characteristics.

Следует отметить, что при энергии накачки ~10 мДж (плотность мощности соответственно 10 мВт/см²) и частоте следования импульсов 12,5 Гц КПД, расходимость и спектральная ширина линии генерации РОС-лазера практически не изменялись. В то же время в РОС-лазере на жидком растворе красителя при указанном уровне накачки, без прокачки активной среды, генерация срывалась через 2-3 импульса. Это обусловлено лучшими термооптическими характеристиками ЭП по сравнению с этанолом.It should be noted that at a pump energy of ~10 mJ (power density, respectively, 10 mW/cm ² ) and a pulse repetition rate of 12.5 Hz, the efficiency, divergence, and spectral width of the generation line of the DFB laser practically did not change. At the same time, in a DFB laser based on a liquid dye solution at the indicated pumping level, without pumping the active medium, the generation was interrupted after 2–3 pulses. This is due to the better thermooptical characteristics of EP compared to ethanol.

На фиг. 4 приведены зависимости энергии (позиция 1) и КПД генерации (позиция 2) РОС-лазера от энергии накачки. Показано, что при изменении энергии накачки КПД характеризуется интенсивным ростом и наличием максимума, но обнаруживает тенденцию к уменьшению, связанную с насыщением усиления.In FIG. Figure 4 shows the dependences of the energy (position 1) and generation efficiency (position 2) of the DFB laser on the pump energy. It is shown that with a change in the pump energy, the efficiency is characterized by an intensive increase and the presence of a maximum, but exhibits a tendency to decrease due to gain saturation.

Энергия генерации в зависимости от энергии накачки непрерывно растет, обнаруживая тенденцию к насыщению при значительных энергиях накачки.The generation energy increases continuously as a function of the pump energy, showing a tendency to saturation at high pump energies.

На фиг. 5 приведены спектральные характеристики РОС-лазера на основе активированного эпоксиполимера: позиция а) иллюстрирует интерферограмму линии генерации, позиция б) - микрофотограмму интерферограммы линии генерации, позиция в) - спектр генерации (в нанометрах) РОС-лазера на красителе, внедренном в эпоксиполимерную матрицу.In FIG. Figure 5 shows the spectral characteristics of a DFB laser based on an activated epoxy polymer: position a) illustrates the interferogram of the generation line, position b) - microphotogram of the interferogram of the generation line, position c) - generation spectrum (in nanometers) of the DFB laser on a dye embedded in an epoxy polymer matrix.

Таким образом, как показали проведенные исследования, связанные с использованием активированных красителями эпоксиполимеров для РОС-лазера, активные среды на основе ЭП являются лучшими из аналогичных отечественных материалов.Thus, as shown by the conducted studies related to the use of dye-activated epoxy polymers for a DFB laser, EP-based active media are the best of similar domestic materials.

Разработанные на их основе РОС-лазеры могут найти эффективное применение при решении задач лазерного спектрального анализа, в частности, спектроскопии атомов и молекул, селективного возбуждения и детектирования отдельных атомных и молекулярных состояний, в оптических системах лазерной космической связи в виде оптических квантовых свип-генераторов, нагруженных на антенны.DFB lasers developed on their basis can find effective application in solving problems of laser spectral analysis, in particular, spectroscopy of atoms and molecules, selective excitation and detection of individual atomic and molecular states, in optical systems of laser space communication in the form of optical quantum sweep generators, loaded on antennas.

Недостатком рассмотренного свип-генератора на базе РОС-лазера с использованием полимерного моноблока является то, что изменение угла падения излучения накачки осуществляется медленно, за счет поворота отражательного зеркала, который обеспечивается микрометрическими винтами. Кроме этого, в качестве источника накачки выбран лазер на стекле с неодимом, который для осуществления накачки моноблока должен работать с удвоителем частоты и в режиме модулированной добротности (в режиме синхронизации мод), что существенно усложняет систему, увеличивает габариты, массу, энергопотребление и экономические показатели свип-генератора.The disadvantage of the considered sweep generator based on a DFB laser using a polymer monoblock is that the change in the angle of incidence of the pump radiation is carried out slowly, due to the rotation of the reflective mirror, which is provided by micrometer screws. In addition, a neodymium glass laser was chosen as a pump source, which, in order to pump a monoblock, must operate with a frequency doubler and in a Q-switched mode (in mode locking mode), which significantly complicates the system, increases dimensions, weight, power consumption, and economic indicators. sweep generator.

В качестве прототипа устройства и наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является оптический квантовый свип-генератор на основе РОС-лазера с когерентной накачкой [7]. Оптический квантовый свип-генератор на базе лазера с распределенной светоиндуцированной обратной связью, содержащий активную среду, находящуюся в контакте с одной из катетных граней прямоугольной призмы, прямоугольную треугольную призму, когерентный источник накачки, оптическую систему, формирующую импульс накачки, состоящую из цилиндрической и сферической линз, и отражательное зеркало закрепленное на пьезоэлектрическом элементе в виде прямоугольной пластины, поляризованной по толщине и снабженной двумя электродами, расположенными перпендикулярно толщине пьезопластины, на которые от генератора подается электрическое синусоидальное напряжение противоположной полярности.As a prototype of the device and the closest in technical essence to the proposed invention is an optical quantum sweep generator based on a coherently pumped DFB laser [7]. Optical quantum sweep generator based on a laser with distributed light-induced feedback, containing an active medium in contact with one of the leg faces of a rectangular prism, a rectangular triangular prism, a coherent pump source, an optical system that forms a pump pulse, consisting of cylindrical and spherical lenses , and a reflective mirror fixed on a piezoelectric element in the form of a rectangular plate polarized in thickness and equipped with two electrodes located perpendicular to the thickness of the piezoelectric plate, to which an electrical sinusoidal voltage of opposite polarity is supplied from the generator.

Активная среда в известном устройстве, выполнена в виде моноблока, из эпоксидианового полимера марки УП-612, активированного красителем родамином 6Ж (фиг. 6), где 1 - источник оптической накачки (ИАГ:Nd³⁺-лазер); 4 и 5 - цилиндрическая и сферическая линзы соответственно; 9 - отражательное зеркало; 17 - пьезопластина, совершающая изгибные колебания; 10 - активная призма; 12 - активная среда; 18 - алюминиевое покрытие; 19 - генератор синусоидального электрического напряжения.The active medium in the known device is made in the form of a monoblock, made of epoxy polymer brand UP-612, activated by the dye rhodamine 6G (Fig. 6), where 1 is the source of optical pumping (YAG:Nd ³⁺ laser); 4 and 5 - cylindrical and spherical lenses, respectively; 9 - reflective mirror; 17 - piezoelectric plate, performing bending vibrations; 10 - active prism; 12 - active medium; 18 - aluminum coating; 19 - sinusoidal electrical voltage generator.

Входная грань активной среды 12 находится в контакте с призмой 10, выполненной из эпоксидианового полимера марки УП-612 без красителя и имеющей на катете металлическое покрытие 18. Часть излучения накачки проникает в активную среду 12 непосредственно, а другая часть - после отражения от противоположной катетной грани 18. Интерферируя внутри активной среды 12, пучки накачки создают условия для возникновения генерации на основе РОС.The entrance face of the active medium 12 is in contact with the prism 10, made of epoxy polymer brand UP-612 without dye and having a metal coating on the leg 18. Part of the pump radiation penetrates into the active medium 12 directly, and the other part after reflection from the opposite leg 18. Interfering inside the active medium 12, the pump beams create the conditions for the occurrence of generation based on DFB.

Длина волны генерации РОС-лазера определяется из выражения:The generation wavelength of a DFB laser is determined from the expression:

где: λ_нак - длина волны излучения накачки, в рассматриваемом случае равна 532 нм, n_ас - показатель преломления активной среды, n_пр - показатель преломления призмы, θ - угол падения пучков накачки на активную среду. При n_ас=n_пр, длина волны генерации обратно пропорциональна sinθ. Для уменьшения потерь на отражение от гипотенузной грани, угол между гипотенузной гранью и катетной гранью, к которой примыкает активная среда 12, должен соответствовать средней длине волны диапазона перестройки данного красителя. Для родамина 6Ж, средняя длина волны перестройки составляет λ_ген=585 нм, а θ=arcsin(λ_нак/λ_ген). Для обеспечения полного внутреннего отражения на вторую катетную грань наносится алюминиевое покрытие. При ширине спектра генерации 50 нм на уровне 0,5 пределы изменения угла должны находится в диапазоне:where: λ _pump is the wavelength of the pump radiation, in the case under consideration it is equal to 532 nm, n _ac is the refractive index of the active medium, n _pr is the refractive index of the prism, θ is the angle of incidence of the pump beams on the active medium. When n _ac =n _pr , the generation wavelength is inversely proportional to sinθ. To reduce reflection losses from the hypotenuse face, the angle between the hypotenuse face and the leg face, to which the active medium 12 adjoins, should correspond to the average wavelength of the tuning range of the given dye. For rhodamine 6G, the average tuning wavelength is λ _gene =585 nm, and θ=arcsin(λ _nac /λ _gene ). To ensure total internal reflection, an aluminum coating is applied to the second leg face. With a generation spectrum width of 50 nm at a level of 0.5, the angle change limits should be in the range:

Обеспечение изменения угла падения излучения накачки осуществляется за счет поворота зеркала 9 в пределах от θ_min до θ_max.Ensuring a change in the angle of incidence of the pump radiation is carried out by rotating the mirror 9 in the range from θ _min to θ _max .

Для этого отражательное зеркало 9 закрепляется на прямоугольной пьезокерамической пластине 17, поляризованной по толщине и имеющей на противоположных сторонах по два металлических электрода, соединенных с генератором электрических синусоидальных сигналов. При этом на каждую пару электродов подается электрическое напряжение противоположной полярности, что обеспечивает изгибные колебания пьезопластины и отражательного зеркала на резонансной частоте пластины, например, на частоте около 100 кГц.To do this, the reflective mirror 9 is fixed on a rectangular piezoceramic plate 17, polarized in thickness and having two metal electrodes on opposite sides, connected to a generator of electrical sinusoidal signals. In this case, an electrical voltage of opposite polarity is applied to each pair of electrodes, which provides bending vibrations of the piezoelectric plate and the reflective mirror at the resonant frequency of the plate, for example, at a frequency of about 100 kHz.

Таким образом, перестройка (качание) длины волны генерации в разработанном свип-генераторе происходит со скоростью 10⁵ раз в секунду и может управляться путем изменения частоты электрического сигнала. В этих условиях наблюдается генерация с частотой следования импульсов, повторяющих накачку. КПД лазера на длине волны генерации, равной 585 нм, достигает 12% для родамина 6Ж.Thus, the tuning (swing) of the generation wavelength in the developed sweep generator occurs at a rate of 10 ⁵ times per second and can be controlled by changing the frequency of the electrical signal. Under these conditions, generation is observed with a repetition rate of pulses repeating pumping. The laser efficiency at a generation wavelength of 585 nm reaches 12% for rhodamine 6G.

Недостатком прототипа является использование в качестве источника накачки твердотельного ИАГ:Nd³⁺-лазера с умножителем частоты и с модулированной добротностью, который имеет большие габариты, массу и высокое энергетическое потребление, что существенно усложняет использование оптического квантового свип-генератора на базе РОС-лазера в системах (передатчиках) космической лазерной связи. Кроме того, недостатком также является низкий КПД накачки и низкое оптическое качество стимулированного излучения.The disadvantage of the prototype is the use as a pump source of a solid-state YAG:Nd ³⁺ -laser with a frequency multiplier and Q-switched, which has large dimensions, weight and high energy consumption, which greatly complicates the use of an optical quantum sweep generator based on the DFB laser in systems (transmitters) of space laser communication. In addition, the low efficiency of pumping and the low optical quality of stimulated emission are also disadvantages.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества лазерного излучения при организации оптических линий связи.The task to be solved by the present invention is to improve the quality of laser radiation in the organization of optical communication lines.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании оптического канала связи на основе волоконного оптического квантового свип-генератора с положительной распределенной обратной связью с высоким КПД преобразования и высоким оптическом качеством стимулированного излучения.The technical result of the invention is to create an optical communication channel based on a fiber optical quantum sweep generator with positive distributed feedback with high conversion efficiency and high optical quality of stimulated radiation.

Сущность изобретения заключается в том, что РОС-лазер, содержащий активную среду, находящуюся в контакте с одной из катетных граней прямоугольной треугольной призмы, треугольную прямоугольную призму, когерентный источник накачки, оптическую систему, формирующую импульс накачки, содержащую цилиндрическую и сферическую линзы и отражательное зеркало, закрепленное на пьезоэлектрическом элементе в виде прямоугольной пьезопластины, поляризованной по толщине и снабженной двумя парами электродов, на которые от генератора подается электрическое синусоидальное напряжение противоположной полярности, что обеспечивает изгибные колебания пластины и закрепленного на ней зеркала и позволяет изменять угол падения излучения накачки в активной среде моноблока с родамином Ж с необходимой скоростью и обеспечивает качание длины волны излучения активной среды в пределах стимулированного излучения красителя родамина Ж, отличающийся тем, что с целью получения стимулированного излучения высокого оптического качества и высокого КПД преобразования активная среда в моноблоке выполнена в виде полимерного активного волокна, находящегося в контакте с одной из катетных граней прямоугольной треугольной призмы, с сердцевиной на основе эпоксидных или циклоалифатических олигомеров, активированных органическими красителями и отвержденных мелкодисперсными стеклянными порошками с удельной поверхностью активированной реакционноспособными группами, а для создания периодической структуры в сердцевине волокна, излучение накачки от полупроводникового лазера, отраженное от зеркала на пьезопластине, направляется посредством оптического клина на гипотенузную грань прямоугольной треугольной призмы, изготовленную по технологии сердцевины волокна из эпоксидианового или циклоалифатического олигомеров но без красителей, а излучением из призмы производят накачку сердцевины волокна, управляя качанием длины волны излучения свип-генератора путем изменения угла падения излучения накачки в пределах полосы излучения используемого красителя. На фиг. 7а приведена структурная схема волоконного оптического квантового свип-генератора с распределенной обратной положительной связью.The essence of the invention lies in the fact that a DFB laser containing an active medium in contact with one of the leg faces of a rectangular triangular prism, a triangular rectangular prism, a coherent pump source, an optical system that generates a pump pulse, containing cylindrical and spherical lenses and a reflective mirror , mounted on a piezoelectric element in the form of a rectangular piezoelectric plate, polarized in thickness and equipped with two pairs of electrodes, to which an electric sinusoidal voltage of opposite polarity is supplied from the generator, which provides bending vibrations of the plate and the mirror fixed on it and allows you to change the angle of incidence of pump radiation in the active medium monoblock with rhodamine Zh at the required speed and provides swinging the wavelength of the active medium radiation within the stimulated radiation of the rhodamine Zh dye, characterized in that in order to obtain stimulated radiation of high optical quality and high conversion efficiency, the active medium in the monoblock is made in the form of a polymeric active fiber, in contact with one of the leg faces of a rectangular triangular prism, with a core based on epoxy or cycloaliphatic oligomers activated with organic dyes and cured with fine glass powders with a specific surface area activated by reactive groups, and to create a periodic structure in the fiber core, pump radiation from a semiconductor laser , reflected from the mirror on the piezoelectric plate, is directed by means of an optical wedge to the hypotenuse face of a rectangular triangular prism, made according to the technology of the fiber core from epoxy or cycloaliphatic oligomers but without dyes, and the fiber core is pumped by radiation from the prism, controlling the oscillation of the sweep generator radiation wavelength by changes in the angle of incidence of the pump radiation within the emission band of the dye used. In FIG. Figure 7a shows a block diagram of a fiber optic quantum sweep generator with distributed positive feedback.

Волоконный оптический квантовый свип-генератор содержит когерентный источник накачки - полупроводниковый лазер с диодной накачкой 20 и длиной волны генерации 532 нм, цилиндрическую линзу 4, сферическую линзу 5, отражательное зеркало 9, пьезокерамическую прямоугольную пластину 17, моноблок на базе прямоугольного катета, у которого активная призма 10 изготовлена, например, из кремнийорганического полимера марки УП-612 без красителя, а активная среда выполнена из активного волокна 21, сечение которого (в контакте с гранью призмы 10) представлено на фиг. 7б.The fiber optical quantum sweep generator contains a coherent pump source - a semiconductor laser with diode pumping 20 and a generation wavelength of 532 nm, a cylindrical lens 4, a spherical lens 5, a reflective mirror 9, a piezoceramic rectangular plate 17, a monoblock based on a rectangular leg, which has an active prism 10 is made, for example, of UP-612 organosilicon polymer without dye, and the active medium is made of active fiber 21, the cross section of which (in contact with the face of prism 10) is shown in Fig. 7b.

Сердцевина 23 активного волокна 21 изготовлена из кремнийорганического полимера марки УП-612 с красителем (равенство показателей преломления). На катете призмы нанесено алюминиевое покрытие 18. Позицией 19 показан генератор синусоидальных электрических сигналов. Позицией 22 показан оптический клин для направления излучения накачки от полупроводникового лазера на различные моноблоки.The core 23 of the active fiber 21 is made of an organosilicon polymer brand UP-612 with a dye (equality of refractive indices). An aluminum coating 18 is applied on the leg of the prism. Position 19 shows the generator of sinusoidal electrical signals. Position 22 shows an optical wedge for directing pump radiation from a semiconductor laser to various monoblocks.

Для изготовления сердцевины 23 активного волокна 21 в олигомер марки УΠ-612 добавляют краситель родамин Ж в молярном соотношении 1:1-5, нагревают до температуры 60-150°С и выдерживают 2-48 часов. В результате образуется концентрат, в котором родамин Ж химически подшит к макромолекуле олигомера. Полученный концентрат разбавляют неокрашенным олигомером для получения нужной концентрации. Затем путем подбора стеклообразующих окислов выбирают стекло с коэффициентом преломления близким к коэффициенту преломления эпоксидного олигомера марки УП-612, у которого коэффициент преломления n=1.501. Мелкодисперсный стеклянный порошок получают путем первоначального дробления в ступке, с последующим размалыванием в шаровой мельнице и просеиванием через сито с размером ячейки 10 мкм. Удельная поверхность такого стекла составляет 100-200 см²⋅см^-3, что обеспечит возможность подшивки необходимого количества реакционных групп и высокую степень полимеризации активированного красителем олигомера. Далее проводят химическую активацию поверхности стекла группами - СООН (для красителей родамин Ж и оксазин 17). Для этого стекло вакуумируют при давлении 0,1 Бар и температуре 200°С в течение 3 часов. Затем через него пропускают ток азота с парами щавелевой кислоты при 180°С в течение 6-8 часов для удаления физически адсорбированной кислоты. Для отверждения активированного красителем родамином Ж эпоксиолигомера, например, марки УΠ-612, полученное стекло смешивают с олигомером и размещают внутри полой трубки (преформы) 24 в вязко-текучем состоянии, вакуумируют, нагревают полученную композицию до 160°С и проводят отверждение в течение 5 часов. Трубку 24 и активную прямоугольную треугольную призму 10 предварительно изготавливают из олигомера марки УΠ 612 без красителя и отверждают мелкодисперсным стеклом с активированной поверхностью для уравнивания показателей преломления прямоугольной треугольной призмы 10 и трубки (преформы) 24. Внутренний диаметр сердцевины волокна может иметь размеры 50; 62,5; 120 и 980 мкм при наружном диаметре трубки 24 и оболочки 25-490 и 1000 мкм. Абсолютный показатель преломления сердцевины волокна всегда можно сделать выше показателя преломления оболочки 25, изменяя количество и состав стеклообразующих окислов. Таким образом формируют волокно для волоконного оптического свип-генератора, в котором сердцевина 23 представляет собой термореактивное высокомолекулярное эпоксиполимерное соединение, образующее по своей структуре статистически пространственную сетку, в которой квазирегулярно размещены молекулы красителей. Конструктивно волокно 21 соединено с активной призмой 10 и представляет собой моноблок волоконного свип-генератора [8].To manufacture the core 23 of the active fiber 21, the dye rhodamine Zh is added to the UΠ-612 oligomer in a molar ratio of 1:1-5, heated to a temperature of 60-150°C and incubated for 2-48 hours. As a result, a concentrate is formed in which rhodamine G is chemically bound to the oligomer macromolecule. The resulting concentrate is diluted with unstained oligomer to obtain the desired concentration. Then, by selecting glass-forming oxides, glass is selected with a refractive index close to that of the UP-612 epoxy oligomer, in which the refractive index n=1.501. Fine glass powder is obtained by initial crushing in a mortar, followed by grinding in a ball mill and sifting through a sieve with a mesh size of 10 microns. The specific surface area of such glass is 100-200 cm ² ⋅ cm ^-3 , which will provide the possibility of filing the required number of reactive groups and a high degree of polymerization of the dye-activated oligomer. Next, chemical activation of the glass surface is carried out by groups - COOH (for dyes, rhodamine Zh and oxazine 17). To do this, the glass is evacuated at a pressure of 0.1 bar and a temperature of 200°C for 3 hours. Then a stream of nitrogen is passed through it with vapors of oxalic acid at 180°C for 6-8 hours to remove the physically adsorbed acid. To cure an epoxy oligomer activated by the rhodamine Zh dye, for example, grade UΠ-612, the resulting glass is mixed with the oligomer and placed inside a hollow tube (preform) 24 in a viscous-flow state, evacuated, the resulting composition is heated to 160°C, and the curing is carried out for 5 hours. The tube 24 and the active rectangular triangular prism 10 are prefabricated from the YΠ 612 oligomer without dye and cured with fine glass with an activated surface to equalize the refractive indices of the rectangular triangular prism 10 and the tube (preform) 24. The inner diameter of the fiber core can have dimensions of 50; 62.5; 120 and 980 microns with an outer diameter of the tube 24 and shell 25-490 and 1000 microns. The absolute refractive index of the fiber core can always be made higher than the cladding refractive index of 25 by changing the amount and composition of glass-forming oxides. Thus, a fiber is formed for a fiber optical sweep generator, in which the core 23 is a thermosetting high-molecular epoxy polymer compound, which forms a statistically spatial grid in its structure, in which dye molecules are quasi-regularly placed. Structurally, fiber 21 is connected to active prism 10 and is a monoblock fiber sweep generator [8].

Волоконный оптический квантовый свип-генератор работает следующим образом. Излучение накачки от полупроводникового лазера с диодной накачкой (длина волны изучения 532 нм), сформированное в полоску цилиндрической 4 и сферической 5 линзами с помощью отражательного зеркала 9 сводится на сердцевину 23 волокна 21 через гипотенузную грань призмы 10 моноблока. Часть излучения накачки проникает в сердцевину 23 непосредственно, а другая часть - после отражения от противоположной катетной грани 18. Интерферируя внутри сердцевины 23 волокна 21, накачкой создаются условия для возникновения периодической структуры в сердцевине и генерации на основе РОС. Длина волны генерации λ_ген определяется из выражения λ_ген=λ_нак/sinα, где λ_нак - длина волны излучения накачки сердцевины 23 моноблока, α - угол падения излучения накачки (при равенстве показателей преломления активной призмы 10 и активного волокна 21). Для уменьшения потерь на отражение от гипотенузной грани 18, угол между гипотенузной и катетной гранью, к которой примыкает активное волокно 21, должен соответствовать средней длине волны диапазона перестройки красителя моноблока. Для моноблока с родамином Ж средняя длина волны перестройки, вокруг которой происходит качание λ=585 нм, ширина спектральной линии генерации 0,04 нм, диапазон перестройки (качания) 554-604 нм. Скорость качания приближенно равна 10² Гц. Концентрация красителя родамина Ж - 10^-3 г/г. Пределы изменения угла должны находится в диапазоне α_min=arcsin(532/554), α_max=arcsin(532/604), КПД накачки составляет 35-45%. Для моноблока с оксазином 17 средняя линия генерации - 625 нм, диапазон перестройки (качания) длины волны генерации 635-672 нм, концентрация красителя – 10^-3 г/г, КПД накачки от полупроводникового лазера составляет 35-45%. Для моноблока с родамином С средняя линия генерации - 610 нм, диапазон перестройки 605-667 нм, концентрация красителя – 10^-3 г/г, КПД накачки от полупроводникового лазера составляет также порядка 35-45%. Для родамина С (отвердитель) мелкодисперсное стекло активируется реакционноспособными группами -OHTiCl₄ (с учетом солевой формы красителя) [8]. Обеспечение изменения угла падения излучения накачки осуществляется за счет качания зеркала 9, закрепленного на пьезопластине, поляризованной по толщине и имеющей на противоположных сторонах по два металлических электрода, соединенных с генератором синусоидальных электрических сигналов 19. При этом на каждую пару электродов подается электрическое напряжение противоположной полярности, что обеспечивает изгибные колебания пластины и зеркала. При использовании нескольких моноблоков с различными красителями предусмотрено переключение излучения накачки на следующие друг за другом моноблоки посредством оптического клина 22, который направляет излучение от качающего зеркала на пьезопластине к выбранному моноблоку. Последовательность накачки моноблоков производится вариативно.Fiber optical quantum sweep generator operates as follows. The pumping radiation from a diode-pumped semiconductor laser (the study wavelength is 532 nm), formed into a strip of cylindrical 4 and spherical 5 lenses, is reduced to the core 23 of the fiber 21 through the hypotenuse face of the prism 10 of the monoblock using a reflective mirror 9. Part of the pump radiation penetrates the core 23 directly, and the other part - after reflection from the opposite leg 18. Interfering inside the core 23 of the fiber 21, pumping creates conditions for the appearance of a periodic structure in the core and generation based on DFB. The generation wavelength λ _gene is determined from the expression λ _gene =λ _nac /sinα, where λ _nac is the pump radiation wavelength of the core 23 of the monoblock, α is the angle of incidence of the pump radiation (when the refractive indices of the active prism 10 and the active fiber 21 are equal). To reduce the reflection loss from the hypotenuse face 18, the angle between the hypotenuse and the leg face, to which the active fiber 21 adjoins, must correspond to the average wavelength of the monoblock dye tuning range. For a monoblock with rhodamine Zh, the average tuning wavelength around which the swing occurs is λ=585 nm, the width of the spectral generation line is 0.04 nm, the tuning (swinging) range is 554-604 nm. The swing speed is approximately 10 ² Hz. The concentration of the dye rhodamine W - 10 ^-3 g/g. The limits of angle change should be in the range α _min =arcsin(532/554), α _max =arcsin(532/604), pumping efficiency is 35-45%. For a monoblock with oxazine 17, the average generation line is 625 nm, the range of tuning (swinging) of the generation wavelength is 635–672 nm, the dye concentration is ^10–3 g/g, and the pump efficiency from a semiconductor laser is 35–45%. For a monoblock with rhodamine C, the average generation line is 610 nm, the tuning range is 605–667 nm, the dye concentration is ^10–3 g/g, and the pump efficiency from a semiconductor laser is also about 35–45%. For rhodamine C (hardener), fine glass is activated by reactive groups -OHTiCl ₄ (taking into account the salt form of the dye) [8]. Ensuring the change in the angle of incidence of the pump radiation is carried out by swinging the mirror 9, fixed on a piezoelectric plate, polarized in thickness and having two metal electrodes on opposite sides, connected to a generator of sinusoidal electrical signals 19. In this case, an electric voltage of opposite polarity is applied to each pair of electrodes, which provides bending vibrations of the plate and mirror. When using several monoblocks with different dyes, switching of the pump radiation to successive monoblocks is provided by means of an optical wedge 22, which directs the radiation from the swinging mirror on the piezoelectric plate to the selected monoblock. The pumping sequence of monoblocks is varied.

Таким образом, перестройка длины волны излучения в волоконном свип-генераторе происходит с большой скоростью и может управляться путем изменения частоты электрического сигнала, подаваемого на пьезопластину, практически во всем видимом диапазоне длин волн. Подключенный к антенне волоконный оптический квантовый свип-генератор с распределенной обратной положительной связью может быть использован как передатчик в системах открытой оптической и космической лазерной связи. Выполненный на базе РОС-лазера с накачкой от полупроводникового лазера предлагаемый волоконный свип-генератор представляет четырехуровневую систему, у которой фотон накачки возбуждает переход из основного состояния S₀ в возбужденное S₁, а излучение связано с расселением S₁ на уровень S₀. Такой механизм вынужденного излучения хорошо работает при накачке полупроводниковым лазером и приводит к высокой эффективности преобразования фотонов, а также к надежной и простой компоновке, в которой отсутствует дискретная оптика, требующая юстировки и выравнивания. КПД преобразования источника накачки - полупроводникового лазера (электрический сигнал в оптический достигает 50-70% при суммарном КПД накачки волоконного свип-генератора 35-45%. Сердцевина предложенного состава в волокне свип-генератора обладает взаимной химической индифферентностью и характеризуется высокими значениями теплопроводности - 0,71-0,75 Вт⋅K^-1⋅м^-1, лучевой прочности и высокими адгезионными свойствами, что важно при формировании в моноблоке бездефектной границы между волокном и активной призмой. Излучение имеет высокое оптическое качество, так как генерация происходит непосредственно в сердцевине волокна, что особенно важно при использовании свип-генератора в системах космической лазерной связи.Thus, the tuning of the radiation wavelength in a fiber sweep generator occurs at a high rate and can be controlled by changing the frequency of the electrical signal applied to the piezoelectric plate in almost the entire visible wavelength range. A fiber optical quantum sweep generator with distributed positive feedback connected to the antenna can be used as a transmitter in open optical and space laser communication systems. Based on a DFB laser pumped by a semiconductor laser, the proposed fiber sweep generator is a four-level system in which the pump photon excites the transition from the ground state S ₀ to the excited S ₁ , and the radiation is associated with the settlement of S ₁ to the level S ₀ . This stimulated emission mechanism works well when pumped by a semiconductor laser and results in a high photon conversion efficiency, as well as a reliable and simple layout that does not have discrete optics that require alignment and alignment. The conversion efficiency of the pump source is a semiconductor laser (an electrical signal into an optical one reaches 50-70% with a total pumping efficiency of a fiber sweep generator of 35-45%. The core of the proposed composition in the fiber of the sweep generator has mutual chemical indifference and is characterized by high thermal conductivity values - 0, 71-0.75 W⋅K ^-1 ⋅m ^-1 , radiation strength and high adhesive properties, which is important when forming a defect-free interface between the fiber and the active prism in a monoblock.The radiation has a high optical quality, since generation occurs directly in the fiber core , which is especially important when using a sweep generator in space laser communication systems.

Решение задачи позволяет увеличить КПД преобразования и в целом повысить оптическое качество стимулированного излучения при организации оптических линий связи.The solution of the problem makes it possible to increase the conversion efficiency and, in general, to improve the optical quality of stimulated radiation when organizing optical communication lines.

Рассмотренные материалы подтверждают реализуемость предлагаемого изобретения.The considered materials confirm the feasibility of the proposed invention.

В располагаемых источниках информации не обнаружено устройств, содержащих в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения. Следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».In the available sources of information, no devices were found that together contain features similar to the distinguishing features of the claimed invention. Therefore, the invention meets the criterion of "inventive step".

Наличие новых существенных признаков совместно с известными и общими с прототипом позволило создать новое изобретение - волоконный оптический квантовый свип-генератор с положительной распределенной обратной связью.The presence of new essential features, together with the known and common with the prototype, made it possible to create a new invention - a fiber optical quantum sweep generator with positive distributed feedback.

Источники информацииInformation sources

[1]. Энциклопедия техники. Лазер // URL: https://enciklopediya-tehniki.ru/lazer.html (дата обращения: 10.03.2022).[1]. Encyclopedia of technology. Laser // URL: https://enciklopediya-tehniki.ru/lazer.html (date of access: 03/10/2022).

[2]. Рубинов А.Н., Эфендиев Т.Ш. Лазеры на красителях со светоиндуцированной обратной связью // Квантовая электроника, 1982. - Т.9. - №12. - С. 80-89.[2]. Rubinov A.N., Efendiev T.Sh. Dye lasers with light-induced feedback // Quantum electronics, 1982. - V.9. - No. 12. - S. 80-89.

[3]. Kogelnic Η., Shank C.V. Stimulated enission in aperiodic structure. - Appl.Phys, Lett, 1971. - 18. - №4. - p. 152-155.[3]. Kogelnic H., Shank C.V. Stimulated enission in aperiodic structure. - Appl.Phys, Lett, 1971. - 18. - No. 4. - p. 152-155.

[4]. Катаркевич B.M., Рубинов A.H., Эфендиев Т.Ш. // IV Конгресс физиков Беларуси: Сб. трудов. Минск, 2013. С. 84-85[4]. Katarkevich B.M., Rubinov A.H., Efendiev T.Sh. // IV Congress of Physicists of Belarus: Sat. works. Minsk, 2013, pp. 84-85

[5]. Костенич Ю.В., Рубинов А.Н., Пактер М.К., Парамонов Ю.М., Поляков В.Е., Эфендиев Т.Ш. Перестраиваемый лазер с распределенной обратной связью на основе эпоксидной смолы, активированной красителем. Кн. 4 - Всесоюзн. конф. Новосибирск: (1983)296-297.[5]. Kostenich Yu.V., Rubinov A.N., Pakter M.K., Paramonov Yu.M., Polyakov V.E., Efendiev T.Sh. Tunable distributed feedback laser based on dye-activated epoxy resin. Book. 4 - All-Union. conf. Novosibirsk: (1983) 296-297.

[6]. Борткевич А.В., Гейдур С.Α., Кузнецов А.Р., Поляков В.Е. Твердотельные активные среды на основе эпоксиполимерных матриц, активированных красителями // Журнал прикладной Спектроскопии, 1989. - Т. 50. - №2. - С. 210-216.[6]. Bortkevich A.V., Geydur S.A., Kuznetsov A.R., Polyakov V.E. Solid-state active media based on dye-activated epoxy polymer matrices // Journal of Applied Spectroscopy, 1989. - V. 50. - No. 2. - S. 210-216.

[7]. Патент на полезную модель №6948 (1998) Лазер с распределенной обратной связью Потапов А.И., Поляков В.Е., Поляков Е.В.[7]. Utility model patent No. 6948 (1998) Laser with distributed feedback Potapov A.I., Polyakov V.E., Polyakov E.V.

[8]. Пат. RU 2715085 C2 Российская Федерация, Активная среда для волоконных лазеров и способ ее изготовления / Поляков В.Е., Шосталь В.Ю., Закутаев А.А., Широбоков В.В. - №2018124182; заявл. 02.07.2018; опубл. 25.02.2020, бюл. №6.[8]. Pat. RU 2715085 C2 Russian Federation, Active medium for fiber lasers and method of its manufacture / Polyakov V.E., Shostal V.Yu., Zakutaev A.A., Shirobokov V.V. - No. 2018124182; dec. 07/02/2018; publ. 25.02.2020, bul. No. 6.

Claims

A fiber optical quantum sweep oscillator based on a laser with a positive distributed feedback containing an active medium on a polymer activated with organic dyes in contact with one of the leg faces of a rectangular prism, a rectangular triangular prism, a coherent source for pumping the active medium, an optical system forming a pump pulse consisting of cylindrical and spherical lenses, and a reflective mirror fixed on a piezoelectric element in the form of a rectangular plate polarized in thickness and equipped with two pairs of electrodes located on opposite sides of the piezoelectric plate, to which a sinusoidal electrical voltage of opposite polarity is supplied from the generator, which causes bending vibrations of the piezoelectric plate and the reflective mirror and allows you to control the angle of incidence of the pump radiation, characterized in that in order to obtain stimulated radiation of high optical quality and high conversion efficiency, the active medium is made in the form of a polymeric active fiber, the core of which is based on epoxy or cycloaliphatic oligomers, activated with organic dyes and cured with fine glass powders with a specific surface activated by reactive groups, is in contact with one of the leg faces of a rectangular triangular prism, and to create a periodic structure in the core of the fiber, pump radiation from a semiconductor laser reflected from a mirror on a piezoelectric plate, is directed by means of an optical wedge to the hypotenuse face of a rectangular triangular prism, through which the fiber core is pumped, located in a polymer tube called a preform, and the swing of the sweep generator radiation wavelength within the dye generation band is carried out by changing the angle of incidence of the pump radiation on the hypotenuse face of the prism, through which the core is pumped, while the rectangular triangular prism and the pumping waveguide, in which the core is located, have an equal refractive index, but somewhat lower than the refractive index of the core.