CC BY
33ВКВ0-2019 Стендовые
МЕТОД ПРЕЦИЗИОННОГО ВЫРАВНИВАНИЯ ДЛИНЫ ОПТОВОЛОКОННЫХ КАНАЛОВ С ПОСЛЕДУЮЩИМ КОГЕРЕНТНЫМ СЛОЖЕНИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ
Тютин С.ВЛ Коженкова Т.Ю., Течко О.Л., Хохлов С.В., Коновальцов М.И.
Российский Федеральный Ядерный Центр Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики, г. Саров
* E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16208
Основным препятствием для достижения высоких значений мощности излучения одномодовых оптоволоконных лазеров является возникновение в оптоволокне различных нелинейных эффектов, которые приводят к разрушению волокна и ограничивают предельную выходную мощность. В одночастотных лазерах с узкой шириной спектра при достижении определённой плотности излучения основную роль в расчёте пороговой мощности начинает играть вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Для увеличения порогового значения возникновения ВРМБ необходимо увеличивать ширину линии генерации лазерного излучения, что в свою очередь сказывается на уменьшении длины когерентности и в конечном итоге приводит к значительным трудностям в выравнивании оптического пути лазерного излучения при создании многоканальных оптоволоконных систем с когерентным сложением излучения [1].
В данной работе реализован метод для прецизионного выравнивания длины оптоволоконных каналов, проводящих лазерное излучение с малой длиной когерентности при помощи быстродействующего оптического затвора на основе ячейки Поккельса со световой апертурой 15х15 мм2. При помощи данного метода удалось получить на выходе многоканальной оптоволоконной системы взаимно когерентное лазерное излучение, а применение специально разработанного итерационного подхода на основе СПГ алгоритма позволило реализовать когерентное фазовое сложение многоканального лазерного излучения [2, 3].
В данной работе предлагается метод, позволяющий с точностью до 1 см, выровнять длины оптоволоконных каналов длиной 20 м. Измерения задержки между световыми импульсами, сформированными быстродействующим электрооптическим затвором на основе ячейки Поккельса и прошедшими через всю оптоволоконную систему позволяют рассчитать разницу длин независимых оптоволоконных каналов. Схема измерения представлена на рисунке 1.
В экспериментах применялся непрерывный ИК-лазер (длина волны 1,056 мкм). Ширина линии излучения лазера была измерена интерферометром Майкельсона и равна 30,93 ГГц (длина когерентности 0,97 см, Д^=0,115 нм). Излучение непрерывного лазера, прошедшее через электрооптический затвор Поккельса световой апертурой 15х15 мм, заводилось в коллиматор с волоконным выходом. На ячейку, находящуюся между двумя скрещенными призмами Глана, подавалось управляющее полуволновое напряжение. Длительность переднего фронта окна открывания затвора по уровню 0,5 порядка 0,5 нс.
1 - лазер, 2 - призма Глана; 3 - ячейка Поккельса; 4 - коллиматор, с волоконным выходом; 5 - система деления; 6 - пьезокерамические модуляторы фазы; 7 - фотоприемник; 8 - осциллограф Рис.1. Схема измерения оптических задержек
до выравнивания длины каналов
после выравнивания длины каналов
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
ВКВО-2019- Стендовые
Рис. 2. Окна пропускания быстродействующего затвора Поккельса для 4-х каналов
Результаты проведенных измерений с помощью данной ячейки, приведены на рисунке 2 в виде осциллограмм окна открывания ячейки. Выравнивание длины оптоволоконных каналов позволило получить на выходе лазерной системы когерентное 4 канальное излучение, для которого возможно применить разработанный нами способ фазового сложения.
Для проведения эксперимента по фазировке 4-канального оптоволоконного лазера, с применением пьезокерамических катушек в качестве фазовых модуляторов, применялась оптическая схема, представленная на рисунке 3. Для регистрации изменения целевой функции СПГ алгоритма часть излучения, отраженная от клина поступала на фотодиод, расположенный в фокальной
плоскости двухлинзовой системы.
Рис.4. Зависимость выходного сигнала фотодиода от времени при включении/выключении обратной связи
При включении обратной связи в системе фазировки фотодиод, расположенный на оптической оси в фокусе двухлинзовой системы, регистрировал значение мощности излучения, прошедшего через диафрагму расположенную на оптической оси, и передавал этот сигнал на блок управления, который оценивая изменения сигнала, подавал на пьезокерамические модуляторы фазы требуемые значения напряжения в соответствии с СПГ алгоритмом. Используя значение мощности в малом телесном угле в качестве целевой функции, система фазировки, обеспечивала постоянную синфазность излучения всех лазерных каналов вне зависимости от исходных значений фазы в них.
1-ЗГ, 2-коллиматор, 3-система деления излучения, 4-пьезокерамические катушки, 5-коллиматоры, 6-двухлинзовая система, 7-клин, 8-фотодиод, 9-осциллограф, 10-блокуправления пьезо-керамическими катушками, 11-ССБ-камера Рис. 3. Принципиальная схема эксперимента по фазировке 4-канального оптоволоконного лазера
b
ч Ц У
Рис.5. а - распределение интенсивности сфазированных каналов в дальней зоне; b - пропись по координате y; с - процесс фазировки регистрируемый фотодиодом
В ходе работы получены следующие результаты:
С помощью интерферометра Майкельсона измерены длина когерентности и ширина спектра оптоволоконного иттербиевого лазера. Проведены расчёты порогового значения возникновения ВРМБ для выбранного типа оптоволокна. Проведено деление излучения в несколько оптоволоконных каналов. С помощью быстродействующего оптического затвора измерены длины оптоволоконных каналов с последующим их выравниванием. С помощью модуляторов фазы, управляемых специально разработанным блоком, выдающим команды на основе двухэтапного СПГ алгоритма, реализовано когерентное фазовое сложение многоканального лазерного излучения с шириной полосы 60 кГц.
Литература
1. Weyrauch T. et al, Optics Letters. 41, 840-843 (2016)
2. Волков В.А. и др. Квантовая электроника 43, 333-335 (2013)
3. Волков В.А. и др., Квантовая Электроника, 44, №11, 1039-1042 (2014)
398
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
c
