Лазерный мир

В.А. Алексеев, М.Р. Зарипов, А.С. Перминов, Е.А. Ситникова, В.П. Усольцев, С.И. Юран / ЖУРНАЛ Приборы и методы измерений, 2019

В настоящее время при создании автономных лазерных систем возникают требования в части повышения выходной мощности используемых в их составе лазерных источников при одновременном снижении энергопотребления системы. Авторами рассмотрена возможность увеличения выходной пиковой мощности импульсных лазерных источников за счет применения метода синхронного некогерентного суммирования импульсов в кольцевой волоконно-оптической линии задержки. Целью настоящей работы являлась оценка энергетической эффективности лазерных устройств, построенных на основе данного метода.Рассмотрен общий способ построения импульсного лазерного источника с применением кольцевой волоконной линии задержки, представлены его структурная схема и общий принцип действия подобных данному устройству систем. Приведены два варианта исполнения лазерных систем, построенных на основе описываемого в работе метода суммирования импульсов: с оптическим сумматором и оптическим коммутатором; со сваркой волокон взамен сумматора и оптическим коммутатором. Получены графики энергетической эффективности систем первого и второго вариантов исполнений в зависимости от числа обходов импульса в кольцевой задержке.В результате анализа работы рассмотренных устройств показано, что они позволяют увеличить пиковую мощность лазерного импульса без повышения энергии питания, при этом большей эффективностью обладает система с применением сваренных волокон взамен оптического сумматора.

При разработке и создании автономных лазерных систем, лазерных систем связи, лазерных устройств глубоководного погружения, а также специальных мобильных измерительных систем, лидаров, дальномеров и локационных систем возникает проблема повышения выходной мощности и выходной энергии импульса лазерного излучения без увеличения энергии внешнего источника электропитания или включения в систему дополнительных источников лазерного излучения.

Задача повышения выходной мощности наиболее актуальна для систем, построенных на основе импульсных лазерных источников

Для решения поставленной задачи ранее предлагался метод некогерентного суммирования лазерных импульсов [8], который заключался в синхронном суммировании энергии. При этом сложение энергий импульсов лазерного излучения происходило за счет их последовательного направления с помощью Л-канального оптического коммутатора через N элементов волоконно-оптической задержки разной длины

в оптический сумматор. Такой способ обеспечивал формирование импульса, пиковая мощность которого равна сумме пиковых мощностей импульсов лазерного излучения за исключением потерь в компонентах системы суммирования.

Устройство, построенное на основе данного способа, позволило существенно повысить пиковую мощность излучения одного импульсного лазера без увеличения его энергии питания, сжатия импульсов излучения по длительности или применения дополнительных источников лазерного излучения. Тем не менее, возрастание числа линий задержки вместе с увеличением их длины для повышения выходной суммарной пиковой мощности излучения приводило к ухудшению массогабаритных характеристик и снижению надежности работы подобного устройства.

В настоящей работе рассматривается впервые описанный в [12] способ повышения пиковой мощности источника импульсного лазерного излучения на основе кольцевой волоконно-оптической линии задержки. Действие устройства заключается в последовательном синхронном наложении друг на друга импульсов лазерного излучения, поступающих на вход кольцевой линии задержки. При этом должно обеспечиваться наложение начала импульса, поступившего на вход средства кольцевой волоконной задержки, на начало импульса, уже совершившего обход в нем. С каждым обходом пучок будет накапливать энергию лазерного излучения за счет суммирования. На рисунке 1 приведены несколько схем источника импульсного лазерного излучения с кольцевой волоконной задержкой.

Упрощенная схема (рисунок 1а) необходима для пояснения следующего далее описания принципа действия рассматриваемого устройства. С задающего генератора 1 на вход импульсного лазера 2 поступает импульсный сигнал. Этот сигнал управляет работой лазера. На средство кольцевой оптической задержки 3 через заданный период следования импульсов Т, который соответствует времени обхода импульсом кольцевой линии задержки, поступают импульсы оптического лазерного излучения. Импульс проходит по оптоволоконному кольцу до момента, когда в линию задержки поступит новый импульс лазерного излучения. Цикл продолжается до определенного количества N обходов, зависящего от допустимого затухания в линии задержки. На управляющий вход коммутирующего устройства поступают электрические импульсы от счетчика импульсов 5 с частотой в Ык раз меньше частоты (1/7) импульсов, которая вырабатывается генератором. В момент поступления электрического импульса со счетчика на вход коммутирующего устройства происходит переключение канала циркуляции оптического излучения по средству кольцевой оптической задержки на выход коммутирующего устройства, где формируется импульс оптического излучения. Пиковая мощность сформированного импульса состоит из мощностей Ык импульсов лазерного излучения, поступивших в средство кольцевой оптической задержки за период Ая-Т, с учетом оптических потерь.

В работе [12] источник импульсного лазерного излучения, представленный в виде схемы на рисунке 1а, позволял практически в 17 раз повысить пиковую мощность импульсов лазера при применении одной кольцевой волоконно-оптической линии задержки, при этом в системе учитывались лишь оптические потери в волокнах. По сравнению с ним, устройство, описанное в [8], обеспечивает такое же увеличение пиковой мощности при использовании в своей системе двадцати волоконно-оптических линий задержки разной длины.

Следовательно, устройства, реализованные на основе схемы, приведенной на рисунке 1а, позволяют повысить выходную пиковую мощность излучения без увеличения энергии питания. Вместе с тем снижение массогабаритных параметров подобных источников лазерного излучения и повышение их надежности в сравнении с устройствами, реализующими схему работы, представленную в [8], обеспечивается за счет уменьшения числа линий задержек до одной. Причем для формирования в данной системе на выходе импульсов высокой пиковой мощности необходимо компактное устройство электропитания и малогабаритный источник лазерного излучения, что представляет особенный интерес при разработке автономных лазерных систем.

Заключение

Показано основное преимущество рассматриваемых систем с кольцевой линией задержки по сравнению с системами с множеством волоконных линий задержки, которое заключается в значительном снижении массы и габаритных размеров системы, ее упрощении и повышении ее надежности за счет исключения множества волоконных линий задержки. В то же время системы с кольцевой задержкой выполняют свою основную функцию, которая сводится к увеличению пиковой мощности введенного от внешнего лазерного источника импульса излучения.

В результате проведенного в работе вычислительного эксперимента получены графики зависимости коэффициента энергетической эффективности n(NR) для двух вариантов исполнения, а также определены для обоих случаев предельные значения коэффициента п и числа оборотов NR.

Исходя из полученных результатов, можно однозначно утверждать, что дальнейшее развитие систем с кольцевой волоконной задержкой должно пойти по пути исключения из схемы оптического сумматора и применения волоконно-оптических элементов (оптических коннекторов и коммутаторов) с меньшим значением внутренних потерь.

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-pikovoy-moschnosti-impulsnogo-istochnika-lazernogo-izlucheniya-s-primeneniem-koltsevoy-volokonnoy-linii-zaderzhki/pdf