Способ генерации выходного лазерного света с требуемой характеристикой, лазерная система и транспортное средство, имеющее лазерную систему - RU2450399C2

Чертежи

Показать все 15 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение имеет целью построение лазерной системы, которая отличается высокой компактностью, низким энергопотреблением и устойчивостью к неблагоприятным внешним факторам, что позволяет применять ее в портативных или даже карманных устройствах. Изобретение, в частности, имеет целью построение лазерной системы, интегрированной в устройство лазерного дальномера или устройство целеуказателя, например, входящего в состав инструмента наблюдения. Поэтому, помимо требований в отношении компактности, энергопотребления и надежности такой лазерной системы, для того чтобы ее можно было использовать для измерения дальности и целеуказания на больших расстояниях, она должна иметь сравнительно высокую выходную мощность и должна позволять точно оценивать лазерный свет, отраженный от цели.

Одна проблема, которой, в частности, посвящена данная заявка, состоит в регулировке характеристики выходного лазерного света, в частности, по меньшей мере, одного из параметров интенсивности, отношения сигнал-шум и энергетической эффективности, для вышеописанной лазерной системы. Тем не менее, решение этой задачи можно применять, в целом, к лазерным системам, для которых основными требованиями являются, в частности, компактность конструкции и энергопотребление, а также точность оценки.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу генерации лазерного света с нужной характеристикой выходного лазерного света. Согласно настоящему изобретению, для этого лазерный свет генерируется в спектральном диапазоне. Лазерный свет фильтруется с, по меньшей мере, одной характеристикой фильтра, и спектральная позиция, по меньшей мере, одной характеристики фильтра сдвигается для установления нужной характеристики.

Вместо обеспечения стабилизационных мер в лазерной системе для надлежащей регулировки, например поддержания постоянства, параметров, которые влияют на характеристику выходного лазерного света, каковые меры обычно требуют значительных конструкционных усилий и связаны с потреблением дополнительной мощности, например в целях охлаждения, регулировки посредством отрицательной обратной связи, нужная характеристика достигается и поддерживается за счет управляемого сдвига спектральной позиции характеристики фильтра после лазерного источника, что позволяет регулировать характеристику.

Согласно одному варианту осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, спектральная позиция спектрального диапазона генерируемого лазерного света сдвигается в зависимости от температуры, и способ дополнительно содержит этап, на котором сдвигают спектральную позицию, по меньшей мере, одной характеристики фильтра, в соответствии со сдвигом спектральной позиции спектрального диапазона лазерного света.

Это дает возможность, всякий раз, когда спектральный диапазон генерируемого лазерного света, который содержит преобладающую длину волны лазерного света, сдвигается вследствие температуры и, благодаря такому спектральному сдвигу, подлежит изменению передачи при поддержании стационарной характеристики фильтра, компенсировать результирующее изменение рассматриваемой характеристики. Это достигается за счет сдвига спектральной позиции характеристики фильтра в соответствии со сдвигом спектрального диапазона лазерного света.

Другими словами, характеристику фильтра заставляют следовать за спектральным диапазоном по мере изменения его спектральной позиции.

Согласно еще одному варианту осуществления, сдвиг спектральной позиции спектрального диапазона лазерного света в зависимости от температуры регулируют, сдвигая дополнительную спектральную позицию характеристики стабилизирующего фильтра в зависимости от температуры. При этом согласование осуществляют между сдвигом спектральной позиции одной вышеупомянутой характеристики фильтра и дополнительной спектральной позицией дополнительной характеристики фильтра.

Рассмотрим, например, лазерное устройство, которое излучает свет в спектральном диапазоне. Характеристика стабилизирующего фильтра, которая представляет собой (см. определение стабилизирующего фильтра) характеристику узкополосного фильтра, выделяет из спектрального диапазона более узкий спектральный диапазон генерируемого лазерного света, в котором излучение стабилизируется. Когда имеет место спектральный сдвиг такой характеристики фильтра, как функция температуры в спектральном диапазоне света, излучаемого нестабилизированным лазерным устройством, происходит также спектральный сдвиг еще более узкого диапазона генерируемого лазерного света. Таким образом, одна характеристика фильтра для вышеописанного фильтра испытывает спектральный сдвиг, согласованный со спектральным сдвигом характеристики стабилизирующего фильтра. Таким образом, температурные изменения спектральной позиции генерируемого лазерного света обусловлены спектральным сдвигом характеристики стабилизирующего фильтра, и, при спектральном смещении одной характеристики фильтра в соответствии с характеристикой стабилизирующего фильтра, можно, по существу, устранить влияние температуры на нужную характеристику.

Согласно еще одному варианту осуществления, измеряют, по меньшей мере, одну температуру.

По меньшей мере, одну измеренную температуру преобразуют в механический сигнал. Сдвиг спектральной позиции, по меньшей мере, одной характеристики фильтра осуществляют в зависимости от механического сигнала. Это позволяет учитывать, что преобладающая часть оптических фильтров, применяемых в лазерных системах, имеет характеристики фильтра, которые задаются геометрическими элементами, например толщиной слоев интерференции, периодом дифракционных решеток и т.д. Поэтому спектральный сдвиг характеристики фильтра осуществляют, воздействуя на, по меньшей мере, один такой геометрический элемент, каковое воздействие осуществляется механически, для чего требуется температурно-механическое преобразование, чтобы обеспечить зависимость спектрального сдвига от температуры.

Согласно еще одному варианту осуществления, по меньшей мере, одна характеристика фильтра обеспечивается, по меньшей мере, одним геометрическим элементом, по меньшей мере, одного элемента фильтра, и механический сигнал поступает на элемент фильтра для оказания влияния на геометрический элемент. Под действием такого механического сигнала, как сила или момент, один или несколько геометрических элементов, например период дифракционной решетки, толщина слоев, положение и форма границ раздела материалов, т.е. элементов, определяющих характеристику фильтра для элемента оптического фильтра, претерпевают изменение.

Согласно еще одному варианту осуществления, измерение температуры осуществляется на удалении от элемента фильтра с характеристикой фильтра. Таким образом, температуру, преобладающую в месте, удаленном от такого элемента фильтра, можно применять для спектрального сдвига характеристики фильтра на элементе фильтра. Согласно одному варианту осуществления, температурно-механическое преобразование также осуществляется дистанционно, и результирующий механический сигнал поступает на элемент фильтра для осуществления управляемого сдвига спектральной позиции его характеристики фильтра. Мы называем метод дистанционного измерения температура для сдвига спектральной позиции "активным".

Согласно еще одному варианту осуществления, температуру измеряет сам элемент фильтра, и генерируется механический сигнал и/или изменение оптического параметра, например, показатель преломления материала. Механический сигнал генерируется изменением геометрического элемента на элементе фильтра, вызванным изменением температуры, каковой элемент определяет спектральную позицию характеристики фильтра. Используется тот факт, что твердые материалы проявляют изменение своих геометрических и/или оптических параметров в зависимости от температуры, что используется для сдвига спектральной позиции характеристики фильтра для элемента фильтра.

Согласно еще одному варианту осуществления, по меньшей мере, одна характеристика фильтра реализована в или на оптическом волокне.

Таким образом, достигается значительное усовершенствование в отношении компактности соответствующей лазерной системы.

Согласно еще одному варианту осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, по меньшей мере, одна характеристика фильтра реализуется посредством, по меньшей мере, одного из слоев диэлектрического материала, поверхностных дифракционных решеток, объемных дифракционных решеток или брэгговских решеток. Это, в частности, пригодно, когда элемент фильтра реализован в или на оптическом волокне.

Согласно еще одному варианту осуществления, способ, отвечающий настоящему изобретению, содержит этап, на котором усиливают лазерный свет до того, как он падает на, по меньшей мере, одну характеристику фильтра, спектральная позиция которой подлежит сдвигу. При таком усилении обычно также усиливается шум, т.е. свет вне спектрального диапазона лазерного света. Благодаря обеспечению после такого усиления, по меньшей мере, одной характеристики фильтра, которая обычно является характеристикой полосовой фильтрации, с одной стороны, повышается отношение сигнал-шум, и такое повышение поддерживается даже при спектральном сдвиге спектрального диапазона генерируемого лазерного света.

Согласно еще одному варианту осуществления усиление осуществляется активным оптоволоконным усилителем. Отсюда следует, что упомянутый шум, по меньшей мере, по существу, генерируется за счет усиленного спонтанного излучения УСИ. Это, с одной стороны, делает нижестоящую фильтрацию более желательной для повышения отношения сигнал-шум выходного лазерного света и, с другой стороны, сдвиг спектральной позиции соответствующей характеристики фильтра в соответствии с таким сдвигом спектрального диапазона генерируемого лазерного света поддерживает конечную характеристику, например нужное отношение сигнал-шум, независимо от сдвига спектрального диапазона генерируемого лазерного света и безотносительно к происхождению такого сдвига.

Согласно еще одному варианту осуществления, коэффициент усиления модулируется. Таким образом, помимо сдвига спектральной позиции характеристики фильтра, реализуется дополнительное усовершенствование для достижения и поддержания нужной характеристики, например интенсивности и/или отношения сигнал-шум выходного лазерного света. Согласно еще одному варианту осуществления, коэффициент усиления модулируется по, по меньшей мере, одному из параметров интенсивности света накачки, спектра света накачки, широтно-импульсной модуляции импульсного света накачки и сдвигу спектральной позиции характеристики фильтра и длины материала активного волокна.

Согласно еще одному варианту осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, генерация лазерного света содержит генерацию лазерного света лазерным диодом. Это обеспечивает дополнительное усовершенствование в отношении компактности и надежности и, возможно, также в отношении энергопотребления.

Согласно еще одному варианту осуществления, генерируемый лазерный свет генерируется в импульсном режиме. Это дает возможность применять такой импульсный лазерный свет с нужной характеристикой в целях целеуказания или в целях измерения дальности, за счет оценивания импульсного лазерного света, отраженного от целей, и, согласно одному варианту осуществления, оценивания множественных отраженных импульсов.

Согласно еще одному варианту осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, благодаря генерации лазерного света в импульсном режиме, импульсный лазерный свет усиливается в режиме импульсной накачки, за счет чего импульсная накачка усиления синхронизируется с генерацией лазерного света в импульсном режиме.

Таким образом, отношение сигнал-шум как одна из характеристик выходного лазерного света значительно увеличивается.

Согласно еще одному варианту осуществления, лазерный свет, зависящий от генерируемого лазерного света, излучается и лазерный свет, зависящий от излучаемого лазерного света, принимается на одном общем лазерном порте ввода/вывода, что, в частности, в контексте применения способа к измерению дальности, дополнительно повышает компактность конструкции соответствующей лазерной системы.

Согласно одному варианту осуществления, лазерный свет, зависящий от генерируемого лазерного света, канализируется оптическим волокном в оптику передатчика. Благодаря этому, расхождение лазерного пучка, выходящего из оптики передатчика, определяется надлежащим размещением конца волокна вблизи оптики передатчика. В разделе подробного описания приведены различные подходы к осуществлению этого технического решения. Это позволяет добиться значительной экономии линз, что обеспечивает преимущества в отношении компактности, надежности и цены соответствующей лазерной системы.

Согласно еще одному варианту осуществления, оптика передатчика также является оптикой приемника лазерного света и, согласно еще одному варианту осуществления, оптическое волокно является активным оптическим волокном.

Согласно еще одному варианту осуществления, генерируемый лазерный свет канализируется к выходному порту лазера, по существу, исключительно в оптических волокнах. Таким образом, с одной стороны, компактность конструкции значительно повышается, давая возможность осуществлять способ в портативном и даже карманном устройстве.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предусмотрен способ лазерного измерения дальности или лазерного целеуказания, который содержит этапы, на которых генерируют лазерный свет вышеописанным способом в импульсном режиме и направляют лазерный свет, зависящий от генерируемого лазерного света, к цели.

Согласно еще одному варианту осуществления вышеописанного способа лазерного измерения дальности, оцениваются множественные импульсы лазерного света, принятые и отраженные от цели.

Согласно еще одному варианту осуществления способов, отвечающих настоящему изобретению, характеристику, подлежащую регулировке до нужного значения, например интенсивность и/или отношение сигнал-шум лазерного света, измеряют, и спектральную позицию, по меньшей мере, одной характеристики фильтра сдвигают в порядке регулировки с управлением посредством отрицательной обратной связи.

Согласно одному варианту осуществления, нужная характеристика представляет собой, по меньшей мере, один из параметров интенсивности лазерного света, отношения сигнал-шум и энергетической эффективности.

Кроме того, настоящее изобретение относится к лазерной системе, имеющей лазерный источник света, выход которого функционально подключен ко входу, по меньшей мере, одного оптического фильтра. Оптический фильтр имеет спектральную характеристику фильтра. Оптический фильтр дополнительно имеет регулировку спектральной позиции характеристики фильтра.

Конкретные варианты осуществления этой лазерной системы дополнительно определены в пунктах формулы изобретения.

Следует обратить внимание на тот факт, что содержание Европейской заявки № 05 000 669.1, датированной 14 января 2005 г., а также содержание Европейской заявки № 04 029 867.1, датированной 16 декабря, 2004 г., на которые данная заявка опирается в отношении приоритета, рассматривается как часть, включенная в данное раскрытие посредством ссылки.

Перейдем к иллюстративному описанию изобретений во всех их аспектах и комбинациях со ссылкой на фигуры, где

фиг. 1 - схема передачи сигналов/функциональная блок-схема полностью волоконной лазерной системы, согласно современному варианту осуществления, для применений портативного дальномера или целеуказателя;

фиг. 2 - упрощенная схема возникновения и результата относительного сдвига длины волны лазера относительно оптической характеристики нижестоящего фильтра;

фиг. 3 - упрощенная схема, представляющая принцип регулировки спектрального сдвига характеристики фильтра, согласованного со сдвигом длины волны лазера;

фиг. 4 - упрощенная схема, представляющая управляемый спектральный сдвиг длины волны стабилизированного лазера и спектральной позиции характеристики нижестоящего фильтра;

фиг. 5 - упрощенная схема, представляющая "активный" сдвиг характеристики фильтра;

фиг. 6 - представление, по аналогии с фиг. 5, "пассивного" спектрального сдвига характеристики фильтра;

фиг. 7 - упрощенная схема передачи сигналов/функциональная блок-схема лазерной системы с согласованными длиной волны лазера и характеристикой фильтра, которые обе сдвигаются в зависимости от температуры;

фиг. 8 - метод согласования согласно фиг. 7, применяемый к лазерной системе согласно фиг. 1;

фиг. 9 - полосовой оптический фильтр с управляемым спектральным сдвигом в упрощенном и схематическом представлении, применимом согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 8;

фиг. 10 - упрощенная схема передачи сигналов/функциональная блок-схема лазерной системы с пропускающим фильтром;

фиг. 11 - часть лазерной системы, показанной на фиг. 1, возможный вариант реализации принципа, представленного на фиг. 10 в лазерной системе, показанной на фиг. 1;

фиг. 12 - упрощенная схема передачи сигналов/функциональная блок-схема лазерной системы с оптическим усилителем, модулируемым по коэффициенту усиления;

фиг. 13 - качественная диаграмма, демонстрирующая импульсный лазерный свет (a), модулированный коэффициент усиления (b) усилителя для лазерного света и лазерный свет, полученный путем усиления с модулируемым коэффициентом усиления (c);

фиг. 14 - импульсный лазерный свет (a), усиленный с коэффициентом усиления, подвергнутым широтно-импульсной модуляции (b) оптического усилителя и результирующий лазерный свет (c);

фиг. 15 - часть лазерной системы, показанной на фиг. 1, в которой применяется широтно-импульсная модуляция, показанная на фиг. 14;

фиг. 16 - полностью волоконное соединительное устройство в упрощенном и схематическом представлении двустороннего лазерного излучения/приема, интегрируемое в систему, показанную на фиг. 1.

Описание изобретения

Прежде всего, опишем настоящее изобретение посредством реализованного в настоящее время варианта осуществления. Это описание озаглавлено: "1. Реализованный в настоящее время вариант осуществления".

Согласно этому варианту осуществления, различные признаки рассматриваются сами по себе как признаки новизны и могут быть реализованы в различных вариантах, также могут объединяться с другими лазерными системами, отличающимися от реализованного в настоящее время варианта осуществления, следующими после описания реализованного в настоящее время варианта осуществления, эти конкретные признаки, возможно, со своими вариантами, их применимость к лазерным системам, отличающимся от реализованных в настоящее время, будут описаны под отдельными заголовками, а именно: "2. Согласование температурного сдвига", "3. Модулируемый усилитель", "4. Двусторонний соединитель".

1. Реализованный в настоящее время вариант осуществления

Современный вариант осуществления, представленный на фиг. 1, предусматривает лазерный дальномер для совокупных или раздельных целей или применяемый как лазерный целеуказатель. Показанная лазерная система имеет размер, конструкцию и энергопотребление, которые допускают интеграцию в карманное устройство и полную автономность. Она также применима в других областях применения, где действуют аналогичные требования в отношении размера или компактности, энергопотребления и надежности.

Главный лазерный блок 1 содержит одномодовый DFB (с распределенной обратной связью) лазерный диод 3, излучающий световые импульсы на длине волны в заранее определенном диапазоне. Температурный спектральный дрейф длины волны излучаемого лазерного света такого диода DFB обычно составляет порядка 0.1 нм/К или менее. Такой лазерный диод DFB представляет собой, например, диод серии FOL 15DCWD, доступный от Fitel, Furukawa Inc.

Свет, излучаемый диодом 3 DFB, поступает с выхода A₁ главного лазерного блока 1, возможно, по оптическому волокну 5 на вход E₇ первого каскада усилителя 7. Длина оптического волокна 5 выбирается, в основном, в соответствии со взаимным расположением блока 1 и блока 7 и исключается для оптимальной плотности упаковки и для минимальных оптических потерь от выхода A₁ до входа E₇.

Первый каскад усилителя 7 содержит, в качестве активного усилительного элемента, активное волокно 9, которое оптически накачивается светом, поступающим на вход накачки PE₇. Таким образом, выходной лазерный свет главного лазерного блока 1 поступает в активное волокно 9 и усиливается им.

Активное волокно представляет собой волокно, совместно легированное Er/Yb, имеющее спектральный диапазон коэффициента усиления от 915 нм до 1500 нм. В более общем случае, активное волокно легировано ионами металла, например, ионами эрбия, и/или иттербия, и/или неодима, и/или празеодима, и/или хрома. Спектральный диапазон светового выхода на A₁ находится в пределах диапазона коэффициента усиления каскада усилителя 7.

Энергия света накачки, поступающего на вход PE₇, генерируется на выходе A₁₁ блока 11 накачки, содержащего диод 13 накачки. Диод 13 представляет собой диод Фабри-Перо лазерной накачки, имеющий типичную температурную зависимость длины волны излучения 0.3 нм/К и имеющий центральную длину волны около 945 нм при 20°C. Такой диод представляет собой, например, диод QOFP-975-3 от QPhotonics, LLC.

Таким образом, выбирая центральную длину волны диода накачки 13, вблизи центральной температуры температурного диапазона, предполагаемого для диода накачки 13, в спектральном диапазоне коэффициента усиления первого и, как будет описано ниже, второго и, возможно, третьего усилителя, и предполагая, что температурный сдвиг этой центральной длины волны покрывается спектральными диапазонами поглощения коэффициента усиления каскадов усилителя, никакой температурной стабилизации диода 13 лазерной накачки не требуется. Таким образом, уже достигается первая существенная экономия размера конструкции и электрической мощности.

В зависимости от предусмотренного конструкцией размещения блока 11 накачки и первого каскада усилителя 9, оптическое волокно 15 подключено между выходом А₁₁и входом PE₇.

Вследствие высокого коэффициента усиления G первого каскада оптоволоконного усилителя 7, на его выходе A₇ присутствует оптический шум, в частности, обусловленный усиленным спонтанным излучением УСИ, которое излучается в широком спектральном диапазоне и возрастает с увеличением значения коэффициента усиления каскада усилителя 7. Усиленное спонтанное излучение УСИ приводит к широкополосному световому излучению из первого каскада усилителя 7 с высоким коэффициентом усиления, не зависящему от длины волны λ_L усиленного лазерного света и накладывающемуся на него.

Поскольку энергию УСИ нужно учитывать для сортировки по определенным классам безопасности лазеров, и, кроме того, она повышает уровень шума выходного света на λ_L и, наконец, на и от освещенной цели, блок 29 оптоволоконного фильтра УСИ, имеющий вход E29 и выход A29, подключен, возможно, через оптическое волокно 31, к выходу A₇ первого каскада усилителя 7. Блок 29 фильтра УСИ представляет собой оптоволоконный узкополосный фильтр. Центральная длина волны λ_F пропускания блока 29 фильтра УСИ соответствует длине волны λ_L лазерного света, генерируемого главным лазером 1. Во избежание сдвига узкой полосы пропускания блока 29 фильтра УСИ и, таким образом, λ_F и длины волны λ_L лазерного света вследствие изменений температуры на лазерном источнике 51 и/или блоке 29 фильтра УСИ устанавливается согласование температурного сдвига, которое также будет описано в более общем аспекте в разделе "2. Согласование температурного сдвига".

Такое согласование сдвига позволяет добиться, чтобы спектральный сдвиг λ_F был, по существу, равен спектральному сдвигу λ_L.

Поэтому на лазерном источнике 51 не предусмотрено охлаждения или регулировки температуры, что обеспечивает вторую существенную экономию размера конструкции и энергопотребления.

Хотя на фиг. 1 показано, что блок 29 фильтра УСИ работает в режиме полосового пропускания, он также может работать в режиме полосового отражения, что схематически показано пунктирной линией на выходе A_29r фильтра.

Выход A₂₉ (или A_29r) блока 29 оптоволоконного фильтра УСИ подключен, возможно, через оптическое волокно 33, ко входу E25 второго оптоволоконного каскада усилителя 25, который предполагается, по меньшей мере, аналогичным первому каскаду оптоволоконного усилителя 7 и который имеет выход A₂₅ и накачивается на входе PE₂₅. Выход A₂₅ подключен через оптическое волокно 35 ко входу Е₃₇ оптоволоконного циркулятора 37, например, доступного от JDS Uniphase как оптоволоконный циркулятор с интенсивной поляризацией.

Циркулятор 37 имеет вход/выход EA₃₇. Согласно показанному направлению стрелки, свет, поступающий на E₃₇, выводится на EA₃₇ и изолируется от выхода A₃₇. Свет, поступающий на EA₃₇, изолируется от E₃₇ и выводится на A₃₇. EA₃₇ подключен через оптическое волокно 39 к оптике 41 приемопередатчика. Выход A₃₇ подключен к блоку 43 детектора через оптическое волокно 45. На блоке 43 детектора осуществляется оптоэлектронное преобразование, и соответствующие электрические сигналы поступают на блок 47 оценки, который генерирует нужную конечную информацию, например расстояние до цели, скорость цели, траекторию цели и т.д.

Несмотря на то что показанное волокно 39 можно реализовать как третий каскад оптоволоконного усилителя, накачиваемый на PE₃₉, в реализованном в настоящее время варианте осуществления оно является "пассивным" оптическим волокном.

Посредством оптоволоконного циркулятора 37 и оптических волокон 35, 39 и 45 реализуется оптоволоконный соединительный блок ввода/вывода 49, содержащий устройство 37 циркулятора для поляризованного или неполяризованного лазерного света.

Таким образом, волокна 45 и 39 относятся к маломодовому типу. Волокно 35 оптимизировано в отношении лазерного источника вплоть до A₂₅, например, в отношении интенсивности лазерного света.

Поскольку волокно 39 выбирают коротким, т.е. не длиннее 10 мс, и не изгибают, связью между основной и более высокими модами в этом волокне можно пренебречь. Поскольку изготовители коммерчески доступных циркуляционных устройств, например 37, применяют параметры волокна, сращивание волокон 35, 39 и 45 с волокнами устройства 37 осуществляется для минимизации потерь. Такое сращивание описано в Electron.Let.Vol.22 No.6; pp.318, 1986; "Low-loss joints between dissimilar fibres by tapering fusion splices".

Соединитель на конце волокна 39 с оптикой 41 приемопередатчика адаптирует диаметр поля моды MFD с оптикой 41 приемопередатчика, действующей как излучатель, и оптикой приемника и определяет расхождение излучаемого светового пучка. Соединительный блок 49 с оптикой 41 приемопередатчика сам по себе рассматривается как признак новизны и, в более общем виде, в "3. Двусторонний соединитель."

Если отдельно предусмотрены оптика передатчика 41_T, показанная пунктирной линией, и оптика приемника 41_R, также показанная пунктирной линией, очевидно, что циркулятор 37 можно исключить. Тогда конец того волокна, например, активного волокна от каскада усилителя 25 адаптирует MFD к оптике 49_T и, таким образом, определяет расхождение излучаемого лазерного пучка. Определение этого расхождения путем надлежащего размещения конца волокна позволяет добиться значительной структурной экономии на соответствующих оптических устройствах 41_I, 41_T, например, в отношении линз.

Если устройство с волокном 39 предусмотрено как каскад усилителя, вместо активного волокна можно обеспечить тело из легированного стекла, например стержень из легированного стекла.

Несмотря на то что можно накачивать все каскады усилителя 7, 25 и, возможно, 39 с помощью одного диода накачки 13, следует понимать, что блок 11 накачки, показанный на фиг. 1, для накачки первого 7, второго 25 и, возможно, других каскадов оптоволоконного усилителя содержит несколько децентрализованных диодов накачки, необходимых для обеспечения требуемой мощности накачки. Таким образом, представление "одного устройства", показанное на фиг. 1, было выбрано исключительно в целях упрощения.

Лазерный источник 51, включающий в себя главный лазерный блок 1 и, по меньшей мере, первый каскад оптоволоконного усилителя 7, представляет собой лазерный источник в конфигурации оптоволоконного задающего генератора/усилителя мощности, т.е. оптоволоконный лазерный источник MOPA.

Определение

Мы рассматриваем "оптическое волокно", будь оно "пассивное" или "активное", в целях усиления, как коаксиальные, а также полосковые волноводы. По мере увеличения возможности изготовления волноводов с низкими потерями путем полоскового покрытия подложек из материала типа пластмассы, что обеспечивает высокую плотность упаковки волноводов и гибкость монтажа, мы предполагаем, что в ближайшем будущем появится возможность конструировать оптические волокна также для данной системы с помощью этой полосковой техники.

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 1, используется система с двухкаскадным или, возможно, трехкаскадным оптоволоконным усилителем. В настоящее время такие системы ограничиваются энергией единичного импульса около 100 мкДж, что недостаточно для одноимпульсного лазерного измерения дальности раздельных целей на расстояниях в несколько километров. Поэтому в настоящее время используется метод многоимпульсной интегральной оценки.

Многоимпульное прямое измерение дальности или целеуказание содержит, известное в уровне техники, детектирование изменяющегося со временем светового сигнала, отраженного от цели 27 и, согласно фиг. 1, коллимированного оптикой приемопередатчика 41 или 41_R.

Сигнал преобразуется в электрический сигнал, цифруется и сохраняется, например, в блоке 47 оценки. Благодаря интегрированию на блоке оценки цифровых электрических сигналов, представляющих отраженный свет множественных импульсов, отношение сигнал-шум повышается.

Различные известные методы обработки цифровых сигналов можно применять для идентификации времени распространения множественных лазерных импульсов, испущенных лазерной системой, отраженных от цели 27, детектированных и оцененных детектором приемника и блоками 43 и 47 оценки, каковые методы не описаны в рамках настоящих изобретений во всех их аспектах.

Как схематически показано на фиг. 1, лазерный диод 3 главного лазерного блока 1 действует под управлением блока 53 импульсного управления. Диод или диоды 13 накачки блока 11 накачки также работают в импульсном режиме, благодаря чему, согласно одному аспекту, рассматриваемому самому по себе как признак новизны, и согласно "3. Модулируемый усилитель" импульсный режим диода или диодов 13 накачки синхронизируется с импульсным режимом лазерного диода 3. Таким образом, устанавливается заранее определенный или регулируемый фазовый сдвиг импульсного управления диодов накачки 13 относительно импульсного управления лазерного диода 3. Тем не менее, такой фазовый сдвиг не обязан быть одинаковым для соответствующего/их диода или диодов накачки, накачивающих разные каскады оптоволоконного усилителя, и не должен быть постоянным во времени.

Синхронизация фазируется соответствующими цепями автофазировки с отрицательной обратной связью (не показаны на фиг. 1).

Импульсную мощность, поступающую от диодов накачки 13 на соответствующие каскады оптоволоконного усилителя 7, 25, возможно, 39, можно представить как импульсную модуляцию коэффициента усиления G этих каскадов. Параметры такой модуляции коэффициента усиления, в частности значение коэффициента усиления, коэффициент заполнения и/или отношение коэффициентов усиления, можно регулировать или подстраивать в режиме отрицательной обратной связи для оптимизации стабильности и отношения сигнал-шум системы в целом.

Вышеописанный блок 29 оптоволоконного фильтра УСИ устроен так, чтобы его полоса пропускания с λ_F имела, по существу, такой же сдвиг как функция температуры, будучи в заранее определенном температурном диапазоне, что и длина волны λ_L лазерного света, излучаемого главным лазерным блоком 1. Это достигается за счет "пассивного" согласования блока 29 оптоволоконного фильтра УСИ, реализованного согласно фиг. 9 и объясненного в "2. Согласование температурного сдвига". Главный лазерный блок 1, блок 29 оптоволоконного фильтра УСИ, а также, возможно, каскады оптоволоконного усилителя 7, 25 и, возможно, 39 имеют тесную тепловую связь, поэтому они испытывают, по существу, одинаковые изменения температуры с течением времени. Это упрощает согласование.

В контексте фиг. 1 описана оптоволоконная лазерная система MOPA, применительно к методу прямого детектирования множественных некогерентных импульсов для лазерного измерения дальности совокупных или раздельных целей или для целеуказания, реализованных в портативных или даже карманных инструментах.

Инструменты, включающие в себя систему, описанную со ссылкой на фиг. 1, компактны, демонстрируют максимальную дальность обнаружения, в зависимости от мощности установленного лазера, от 1 км до 10 км для раздельных и даже малоразмерных целей, обладают низким энергопотреблением, обеспечивают излучаемый лазерный пучок с исключительно малым расхождением, благодаря адаптации MFD для конца волокна, даже с коллиматорами малой фокальной длины, и легко интегрируются в оптические системы. Благодаря полностью волоконной конструкции, эта лазерная система является устойчивой или надежной без необходимости прочных элементов конструкции для крепления дискретных оптических компонентов, которые могут терять выравнивание вследствие вибрации, колебаний температуры или температурных ударов. Внутриволоконный выходной пучок имеет ряд преимуществ для портативного применения. Гибкость упаковки компонентов оптоволоконной лазерной системы MOPA в корпусе обеспечивает снижение форм-факторов при интеграции в оптические системы, например портативные инструменты наблюдения и инструменты разведки, карманные дальномеры или системы, установленные на корабле, подводной лодке, космическом корабле, самолете и наземном транспортном средстве, например танке, где свободное пространство ограничено.

2. Согласование температурного сдвига

На фиг. 1 показано согласование температурного сдвига спектральной позиции характеристики блока 29 фильтра с температурным сдвигом длины волны лазера λ_L. В более общем случае, следует рассмотреть лазерный источник с нижестоящим оптическим фильтром, в частности, имеющим узкополосную характеристику, удаляющим нежелательные спектральные компоненты из света, излучаемого лазерным источником.

Без обеспечения лазерного источника, например 51, показанного на фиг. 1, температурная стабилизация, по меньшей мере, активных устройств генерации лазерного света, например, посредством охладителя с высокой теплоемкостью или путем регулировки температуры с отрицательной обратной связью, в зависимости также от температурных условий окружающей среды, в которой в ходе работы находится лазерный источник, изменение температуры приводит к сдвигу длины волны лазерного света λ_L. Отношение сигнал-шум (S/N) после блока узкополосного фильтра, например 29, показанного на фиг. 1, возрастает с уменьшением ширины полосы пропускания блока фильтра при стационарных, не зависящих от времени условиях. С другой стороны, чем меньшей выбирается ширина полосы пропускания, тем больший сдвиг длины волны лазерного света λ_L потребуется для снижения S/N. В частности, для лазерных систем, где компактность, низкое энергопотребление и высокое S/N являются непременными требованиями, необходимость в температурной стабилизации лазерного источника создает серьезные проблемы. Это, в частности, справедливо для, по существу, всех оптоволоконных лазерных источников, в особенности лазерных источников MOPA, например 51, показанного на фиг. 1, с нижестоящим блоком 29 фильтра, в котором блок 29 фильтра, в частности предусмотрен для снижения шума УСИ.

Всякий раз, когда температурный сдвиг длины волны лазерного света λ_L сам по себе не приносит значительного вреда, но приводит к снижению S/N, принципиальный подход, согласно одному аспекту настоящего изобретения, состоит не в стабилизации длины волны лазерного света путем стабилизации температуры, но в согласовании температурной зависимости спектральной позиции характеристики фильтра для нижестоящего фильтра с температурной зависимостью длины волны лазерного света.

Таким образом, в лазерной системе, в которой после лазерного источника предусмотрен оптический фильтр, температурная стабилизация длины волны лазера λ_L является избыточной и поэтому исключена.

Со ссылкой на функциональную блок-схему/схему прохождения сигналов, показанную на фиг. 2, опишем общее решение согласно одному аспекту настоящего изобретения.

Лазерный источник 51_g изучает лазерный свет на длине волны λ_L0 при температуре θ₀ лазерного источника, согласно фиг. 1, в частности лазерного диода 3. Согласно качественной диаграмме, показанной в блоке, представляющем лазерный источник 51_g, длина волны λ_L сдвигается как функция температуры θ₅₁ согласно характеристике (a) длина волны/температура.

Лазерный свет, излучаемый на выходе A_7g, например, выходе A₇на фиг. 1, в ходе работы поступает на вход E_29g блока 29g фильтра, который имеет, по меньшей мере, одну характеристическую длину волны λ_F характеристики фильтра. Эта характеристика, в наиболее общем случае, может быть характеристикой пропускания низких частот и/или высоких частот или полосового пропускания. Блок 29g фильтра может действовать в режиме пропускания или отражения входного и выходного света на выходе A_29g.

В общем случае, характеристическая длина волны λ_F блока 29g фильтра характеризует ту часть характеристики фильтра, которая используется для удаления нежелательных спектральных диапазонов из выходного света. Характеристика фильтра может задавать более одной характеристической длины волны λ_F. Характеристика фильтра, задаваемая одной или более чем одной характеристической длиной волны λ_F, может сдвигаться как функции температуры θ₂₉ фильтра, что качественно представлено характеристикой (b) на фиг. 2.

Согласно данному аспекту настоящего изобретения, вместо стабилизации θ₅₁, например, равной рабочей температуре θ₀ на лазерном источнике 51_g, и либо выбирая блок 29_g фильтра, где спектральный сдвиг характеристики фильтра как функция температуры пренебрежимо мал, либо стабилизируя температуру θ₂₉ на блоке фильтра 29_g, например, равной θ₀, как показано на фиг. 2, температурный сдвиг характеристической длины волны фильтра λ_F регулируется в точном соответствии с температурным сдвигом длины волны лазерного света λ_L, по меньшей мере, в заранее определенном температурном диапазоне Δθ. Это облегчается за счет установления тесной тепловой связи между лазерным источником 51_g и блоком 29_g фильтра, которая схематически представлена связью 60.

Предполагая, что лазерный свет, выводимый на A_7g, имеет нужную длину волны λ_L и имеет энергию шума в спектральных диапазонах близких к λ_L. По мере того как λ_L сдвигается с температурой, на выходе A_29g появляется фильтрованный выходной свет со сдвинутой длиной волны λ_L и с, по существу, неизменным S/N. Таким образом, достигается значительное снижение температурной зависимости S/N. Благодаря тому, что температурная стабилизация, в смысле поддержания постоянной температуры, не требуется, например температурная регулировка с отрицательной обратной связью, общая конфигурация значительно упрощается, что приводит к повышению компактности, а также к снижению энергопотребления. Также, в зависимости от интенсивности лазерного света, излучаемого лазерным источником 51_g и, таким образом, от термической нагрузки блока 29_g оптического фильтра, можно использовать разные методы, известные специалистам в данной области техники, для реализации блока 29g оптического фильтра, сначала рассмотренного без дополнительных мер для обеспечения управляемого сдвига спектральной позиции его характеристики в зависимости от температуры.

Такие фильтры могут представлять собой, например:

- интерференционные фильтры, содержащие многослойную систему тонких диэлектрических слоев;

- поверхностные и/или объемные оптические дифракционные решетки;

- брэгговские решетки;

- спектрально-избирательные зеркала,

которые все могут работать в режиме пропускания или отражения.

Все или, по меньшей мере, почти все оптические фильтры, которые можно использовать в вышеуказанных целях, базируются на геометрии структур фильтра, например на толщине слоев, ширине дифракционной решетки, которые определяют характеристические длины волны таких фильтров, а также на оптических параметрах, например показателе преломления используемых материалов.

Такая опора на геометрию используется, согласно данному аспекту изобретения, путем генерации на соответствующем фильтре механической нагрузки, которую можно - в одном случае - реализовать напрямую, термически нагружая соответствующую структуру фильтра и используя присущие материалу изменения геометрии как функцию температуры, или - в другом случае - подавая внешнюю механическую нагрузку, генерируемую подходящим термомеханическим преобразованием, тем самым также учитывая температурно-зависимое изменение оптических параметров материала. Фактически, в обоих случаях применяется термомеханическое преобразование, будь то связанное с соответствующим тепловым поведением материала или с приложением внешней механической нагрузки как функции температуры. Таким образом, согласно наиболее общему аспекту, применяется термомеханическое преобразование.

В общем случае и согласно фиг. 3, предусмотрен температурно-механический преобразователь 62, механический выходной сигнал A₆₂ которого в ходе работы поступает на механический вход E_29g блока 29_g фильтра, каковой блок действует как механооптический преобразователь таким образом, что характеристика фильтра с λ_F претерпевает спектральный сдвиг под действием механической нагрузки и, в результате этого, происходит геометрическое изменение. Таким образом, спектральная позиция характеристики фильтра с λ_F блока 29_g фильтра в зависимости от входной температуры θ согласуется с температурной зависимостью длины волны λ_L лазера.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 3, комбинированное температурно-механическое и механооптическое преобразование нужно согласовывать с температурной зависимостью длины волны λ_L лазерного источника 62.

Если лазерный источник, например лазерный источник 51 на фиг. 1, содержит активное лазерное устройство, например лазерный диод 3, который излучает свет в более широком спектральном диапазоне, например диод Фабри-Перо, выход лазерного источника обычно стабилизируют, нагружая лазерное устройство оптическим резонатором. Такой резонатор может быть оптически ограничен оптическим фильтром, действующим как узкополосный отражательный фильтр. Центральная длина волны структуры полосового фильтра, по существу, определяет длину волны, на которой работает и, таким образом, стабилизируется лазерное устройство.

Определение

Мы называем структуру фильтра, составляющую часть оптического резонатора, который нагружает активное лазерное устройство, каковая структура фильтра действует как узкополосный отражательный фильтр, центральная длина волны которого стабилизирует устройство для работы в узком диапазоне длин волны, в идеале, на длине волны лазера, стабилизирующим фильтром. В этом случае, одна возможность реализации, по существу, одинаковых температурных сдвигов длины волны излучаемого лазерного света λ_L и характеристики фильтра с длиной волны λ_F нижестоящего блока фильтра состоит в установлении, по существу, одинаковых температурных спектральных сдвигов стабилизирующего фильтра и нижестоящего фильтра. Это схематически показано на фиг. 4.

Согласно фиг. 4, активное лазерное устройство 64, в конкретном варианте осуществления, представленном на фиг. 1, лазерный диод 3, излучает в ходе своей работы свет в сравнительно широком спектральном диапазоне B₆₄. Стабилизирующий генератор 65 со стабилизирующим фильтром 66 имеет резонансную длину волны, по существу, определяемую центральной длиной волны λ_F1 полосы пропускания стабилизирующего фильтра 66. Стабилизирующий фильтр 66 предусмотрен как механооптический преобразователь. Механическая нагрузка, например сдвиг, сжатие, растяжение или движение, приложенная к нему, вызывает спектральный сдвиг центральной длины волны λ_F1. Таким образом, в зависимости от механического сигнала m, подаваемого на стабилизирующий фильтр 66, длина волны λ_L, на которой стабилизируется устройство 64, изменяется.

В частности, благодаря дополнительным оптическим каскадам, например каскадам усилителя, соответствующим каскаду усилителя 7, показанному на фиг. 1, на выходе стабилизированного лазерного источника 51_s излучаемый свет содержит также энергию на длине волны, отличной от λ_L=λ_F1 (m), которая рассматривается как шум.

По аналогии с фиг. 3 предусмотрен блок 29_g фильтра, одновременно действующий как механооптический преобразователь. Спектральная позиция характеристики фильтра для блока 29_g, задаваемая одной или более чем одной характеристической длиной волны λ_F, управляемо сдвигается в зависимости от подаваемого сигнала механической нагрузки. В случае узкополосной характеристики блока 29_g фильтра центральную длину волны λ_F2 полосы пропускания выбирают равной λ_F1 стабилизирующего фильтра 66. Спектральные сдвиги λ_F1 и λ_F2, соответственно, в зависимости от входных сигналов механической нагрузки m регулируются так, чтобы они были как можно ближе друг к другу.

Если стабилизирующий фильтр 66 и фильтр 29_g одинаковы и температурно-механический преобразователь 68 выдает на оба фильтра 66 и 29_g один и тот же сигнал механической нагрузки m, то температурный сдвиг λ_F2 и λ_F1 будет, по существу, одинаковым. Поскольку λ_F1 определяет длину волны лазерного света λ_L, температура θ не влияет на коэффициент усиления лазерного света, несмотря на изменение длины волны λ_L(θ), которое может быть вызвано сдвигом λ_L относительно характеристической длины волны фильтра λ_F2.

Необходимо, чтобы два фильтра 66 и 29_g имели одинаковую характеристику механооптического преобразования. Если эти характеристики отличаются, то, как схематически показано на фиг. 4 соответствующими блоками взвешивания 70₆₆ и 70_29g, различие между характеристиками учитывается путем приложения, для одной и той же температуры θ, разных механических нагрузок к фильтрам 66 и 29_g.

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 3, общая характеристика преобразования температуры θ в спектральный сдвиг характеристики фильтра с λ_F должна быть согласована со температурным спектральным сдвигом длины волны λ_L лазера. Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 4, это достигается согласованием нижестоящего фильтра 29_g со стабилизирующим фильтром 66. В обоих вариантах осуществления, представленных на фиг. 3 и фиг. 4, был рассмотрен управляемый температурно-зависимый сдвиг спектральной позиции характеристики фильтра для одного или более одного оптического фильтра во избежание выхода длины волны лазерного света из нужного спектрального диапазона фильтра.

Согласно вышесказанному, существует два подхода в отношении механической регулировки оптических характеристик фильтра. В первом подходе, который мы называем "активным", на оптический фильтр подается сигнал механической нагрузки, например сила, который генерируется в зависимости от температуры внешним преобразователем. Вторая возможность состоит в использовании механических и/или оптических характеристик, например показателя преломления, который изменяется в зависимости от температуры на самом оптическом фильтре. Такими характеристиками материала могут быть тепловое расширение, сжатие, изгиб, показатель преломления и т.д. В этом случае характеристика фильтра регулируется геометрической и материальной схемой и термомеханической и термооптической характеристиками материала, которые определяют характеристику фильтра в зависимости от температуры. Мы называем этот подход "пассивным" подходом.

"Активный" и "пассивный" подходы к реализации температурной регулировки блоков фильтра, например блока 29_g и/или стабилизирующего фильтра 66, показанного на фиг. 3 и 4, и, согласно фиг. 1, блока 29 фильтра, схематически показаны соответственно на фиг. 5 и 6. Согласно фиг. 5, блок 72 фильтра реализован, в порядке примера, в виде дифракционной решетки 72_a, например, созданной в объеме материала M₀. Внешний блок возбуждения содержит температурноэлектрический преобразователь 74, например датчик температуры. Выходной сигнал преобразователя 74 поступает на блок 76 электромеханического преобразователя например, на пьезоэлектрическое устройство. Блок 76 электромеханического преобразователя, например, оказывает давление на блок 72 фильтра с дифракционной решеткой 72_a. В результате дифракционная решетка 72_a испытывает механическую деформацию, которая приводит к спектральному сдвигу пропущенного или отраженного спектра с длиной волны λ(m).

В "пассивном" варианте осуществления, схематически показанном на фиг. 6, дифракционная решетка 72_p реализована на границе раздела между двумя разными материалами M₁ и М₂ или, возможно, в объеме одного материала. В силу температурно-зависимого геометрического и оптического изменения одного материала или разных материалов спектральная позиция характеристики фильтра сдвигается. Таким образом, в "пассивном" варианте осуществления, схематически проиллюстрированном на фиг. 6, сама структура материала элемента фильтра действует как температурно-механический преобразователь 62, 68 на фиг. 3 или 4 и, кроме того, как механооптический преобразователь и, в отношении оптических характеристик материала, как термооптический преобразователь.

На фиг. 7, посредством схемы передачи сигналов /функциональной блок-схемы, показана одна форма реализации вариантов осуществления, которые были частично объяснены со ссылкой на фиг. 2-6.

Выход A₈₀ лазерного источника 80 функционально подключен ко входу Е₈₂ циркулятора 82. Вход/выход EA₈₂ циркулятора 82 подключен ко входу/выходу EA₈₄ блока 84 двустороннего оптического усилителя. Выход/вход AE₈₄ блока 84 усилителя функционально подключен к входу/выходу EA₈₆ блока 86 узкополосного отражения. Отраженный спектральный диапазон блока 86 допускает управляемый сдвиг посредством входного сигнала механической нагрузки mE₉₆. Блок 88 температурно-механического преобразователя имеет механический выход mA₈₈, который функционально подключен к механическому входу mE₈₆ блока 86 узкополосного отражения. Специалисту в данной области техники очевидно, что лазерный свет на A₈₀ поступает через циркулятор 82 и блок 84 усилителя на блок 86 узкополосного отражения и там отражается. Отраженный свет поступает через блок 84 усилителя и EA₈₂ циркулятора 82 на выход А₈₂. Температура θ₂ лазерного источника 80 воспринимается температурномеханическим преобразователем 88, что приводит к сдвигу спектральной позиции узкополосного отраженного спектра блока 86 отражения. Таким образом, спектральная позиция характеристики фильтра блока 86 отражения согласуется с температурным сдвигом длины волны λ_L лазерного света.

Этот вышеописанный вариант осуществления соответствует варианту осуществления, описанному со ссылкой на фиг. 3, т.е. предусматривает "активное" согласование, показанное на фиг. 5.

Как показано пунктирными линиями, согласно еще одному варианту осуществления, можно предусмотреть стабилизирующий фильтр 89, соответствующий стабилизирующему фильтру 66, показанному на фиг. 4, чтобы спектральный сдвиг характеристики фильтра для блока 86 был согласован со спектральным сдвигом длины волны λ_L лазера благодаря стабилизирующему фильтру 89.

Оба варианта осуществления, т.е. со стабилизирующим фильтром 89 и без него, также можно реализовать в "пассивной" форме. Это соответствует фиг. 6 и показано на фиг. 7 посредством температуры θ₁, непосредственно влияющей на блок 86 и его геометрические и/или оптические параметры, определяющие спектральную позицию характеристики фильтра на блоке 86. Ту же "пассивную" технику можно применять к стабилизирующему фильтру 89. Согласно одному варианту осуществления, стабилизирующий фильтр 89 предполагается, по меньшей мере, аналогичным блоку 86 узкополосного отражения, например, имеющим тот же тип и материал, для облегчения согласования спектральных сдвигов. Как далее схематически показано на фиг. 7 механическим сигналом m, например, угол наклона φ отражающей поверхности можно управляемо изменять, "пассивно" или "активно", тем самым управляемо изменяя спектральную позицию отраженной полосы пропускания.

В некоторых случаях и с применением стабилизирующего фильтра 89, может быть пригодна реализация смешанного типа, например, "активная" работа стабилизирующего фильтра 89 и "пассивная" работа блока 86 фильтра или наоборот.

Согласно вышесказанному, согласование спектральных позиций характеристик фильтра для блоков фильтра после лазерного источника со сдвигом длины волны лазера, в зависимости от температуры, в частности, пригодно для высококомпактных, маломощных лазерных систем. Такая лазерная система представляет собой, в частности, систему, которая, по меньшей мере, в основном, реализована посредством оптоволоконной техники. Таким образом и согласно фиг. 7, например, блок 84 усилителя может быть реализован в виде «активного» оптического волокна 84_a, благодаря чему, в таком случае, блок 86 узкополосного отражения преимущественно также реализован посредством оптоволоконной технологии.

Существует несколько возможностей реализации блока 84_a отражения.

Блок оптического фильтра, состоящий из тонких слоев диэлектрических материалов и действующий как интерференционное отражающее устройство. Слои наносятся, например, приклеиванием или покрытием на конец AE_84a «активного» оптического волокна 84_a или обеспечиваются в виде отдельного оптического элемента, который соединен встык или присоединен через отдельное соединительное устройство к концу волокна. Диэлектрические покрытия призваны создавать спектральный сдвиг отраженного узкополосного спектра при наличии механического напряжения или при непосредственном термическом нагружении.

Дополнительная возможность состоит в обеспечении поверхностных и/или объемных дифракционных решеток, например структур с пространственной периодичностью, на конце и/или вблизи конца AE_84a «активного» оптического волокна 84_a. Здесь также предусмотрено, что геометрия дифракционных решеток изменяется под действием механического напряжения, приложенного к ним "активно" или "пассивно", как было объяснено.

Дополнительная возможность состоит в применении оптоволоконных брэгговских решеток, однородных аподизированных или с линейно изменяющейся постоянной или снабженных покрытием оптоволоконных брэгговских решеток, оптоволоконных брэгговских решеток в волокнах, отличающихся по составу или структуре, например полимерных волокнах, германосиликатных волокнах или фотонно-кристаллических волокнах. Здесь также геометрические изменения и/или изменения оптических параметров материала обеспечивают спектральный сдвиг характеристик фильтра.

Вышеописанные лазерные системы, согласованные по температуре, реализованные в оптоволоконной технике - по меньшей мере, частично - хорошо подходят для карманных или, по меньшей мере, портативных систем, для систем, где размеры, энергопотребление и надежность являются основными требованиями. Такие системы могут представлять собой, например, подводные лодки, корабли, космические корабли, самолеты, наземные транспортные средства, в частности танки. Лазерная система, особо пригодная для таких применений, описана со ссылкой на фиг. 1.

На фиг. 8 показана часть системы, изображенной на фиг. 1, которая реализована согласно фиг. 7 в оптоволоконной технике. Для облегчения понимания, для обозначения элементов, которые уже были описаны, используются одни и те же позиции. Выход лазерного диода 1 согласно фиг. 1 функционально подключен к циркулятору 82, показанному на фиг. 7. Каскады усилителя 7 и 25, показанные на фиг. 1, реализованы накачиваемым двусторонним оптоволоконным каскадом усилителя 84_a, показанным на фиг. 7, и блок 29 фильтра УСИ реализован оптоволоконным блоком 86 узкополосного отражения, объясненным со ссылкой на фиг. 7. Выход циркулятора 82, согласно фиг. 1, может непосредственно, функционально подключаться ко входу E₃₇ циркулятора 37. Каскад усилителя 7, фильтр УСИ 29 и второй каскад усилителя 25, показанные на фиг. 1, реализованы двусторонним накачиваемым каскадом оптоволоконного усилителя 84_a и оптоволоконным блоком 86 узкополосного отражения. Очевидно, что, согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 8, для температурного согласования, также можно применять все вышеописанные возможности, в частности «пассивную» регулировку, «активную» регулировку, дополнительное обеспечение стабилизирующего фильтра, например, 89 на фиг. 7.

Вариант осуществления, представленный на фиг. 8, предусматривает двухполосную лазерную систему в конфигурации MOPA, в которой узкополосный фильтр УСИ согласован с главным лазером в отношении температурного сдвига длины волны лазера и спектральной позиции полосы пропускания фильтра УСИ.

Блок 86 узкополосного отражения, показанный на фиг. 7 и соответствующий блоку 29 фильтра УСИ, показанному на фиг. 8, можно реализовать, например, согласно фиг. 7.

На фиг. 9 схематически проиллюстрирована одна реализация блока 86, в частности, подключаемая к вышестоящему оптическому волокну, например, активному волоконному усилителю 84a, показанному на фиг. 8. Блок 86 содержит низкочастотную ступень 87 фильтра на основе дифракционной решетки, после которой следует высокочастотная ступень 88 фильтра на основе дифракционной решетки, при опорной температуре θ₀, обе имеющие критические длины волны, приблизительно равные λ_L лазерного света. Оптоволоконная брэгговская решетка 90 действует как отражающий элемент. Механическая регулировка, в частности, критических длин волны ступеней 87 и 88 осуществляется "активно", например, путем сжатия, или "пассивно", путем обеспечения соответствующей дифракционной решетки в материале, которая имеет нужную характеристику зависимости объема от температурного сдвига. Из фиг. 7 следует, что стабилизирующий фильтр 90 можно снабдить ступенями фильтра на основе дифракционной решетки, аналогичными ступеням 87 и 88 для обеспечения согласованного сдвига длины волны лазера λ_L и полосы пропускания фильтра.

Лазерная система, проиллюстрированная на фиг. 7, 8 и 9, работает с блоками 86 отражательного фильтра.

По аналогии с фиг. 7, на фиг. 10 схематически проиллюстрирована лазерная система, в которой блок узкополосного фильтра действует как пропускающее устройство.

Согласно фиг. 10, выход A₉₂ лазерного источника 92 функционально подключен ко входу E₉₄ блока 94 оптического усилителя. Выход A₉₄ функционально подключен ко входу E₉₆ блока 96 узкополосного фильтра. Длина волны λ_L лазерного источника 92 испытывает сдвиг, зависящий от температуры θ, что показано в блоке 92. Характеристика фильтра с центральной длиной волны λ_F блока узкополосного фильтра 96 сдвигается в зависимости от температуры 9, по существу, так же, как λ_L. Таким образом, можно реализовать, опять же, "активную" или «пассивную» регулировку температурно-зависимого спектрального сдвига характеристики фильтра.

"Пассивная" и «активная» регулировки понятны специалистам в данной области техники из предыдущих объяснений, поэтому на фиг. 10 обе возможности представлены только сигналом механической нагрузки m₁(θ).

Принцип работы системы, показанной на фиг. 10 реализован, например, в системе, показанной на фиг. 1, согласно фиг. 11. Таким образом, блок 29 фильтра УСИ содержит оптоволоконную низкочастотную ступень 87 на основе дифракционной решетки и оптоволоконную высокочастотную ступень 88 на основе дифракционной решетки по аналогии с фиг. 9. Опять же, может применяться "пассивная" или «активная» регулировка для спектрального сдвига центральной частоты полосы пропускания в зависимости от температуры θ, в согласовании с температурным сдвигом длины волны лазера λ_L. Отсюда также следует и согласно фиг. 7 или фиг. 4, что можно обеспечить стабилизирующий фильтр, и температурный сдвиг этого фильтра согласован с температурным сдвигом фильтра УСИ 29.

В этой главе мы описали, согласно одному аспекту настоящего изобретения, метод ослабления влияния температурного сдвига длины волны лазерного света не за счет стабилизации температуры лазерного источника, но за счет согласования упомянутого температурного сдвига и температурного сдвига спектральной позиции характеристик нижестоящего фильтра. В силу того, что метод согласования может сделать излишними охлаждение или схемы температурной регулировки, он наиболее пригоден для лазерных систем, где основным требованием является высокая компактность, низкое энергопотребление и надежность. Эти требования, в частности, применяются к лазерным системам, которые, по меньшей мере, частично построены на основе оптического волокна, с одной стороны, для обеспечения максимальной гибкости конструкции, ведущей к повышению компактности, и которые, благодаря этому преимуществу, наиболее пригодны для карманного или портативного оборудования, для которого также требуются низкое энергопотребление и высокая надежность. Большое преимущество в отношении компактности достигается благодаря, по существу, полностью оптоволоконной лазерной системе, которая была раскрыта со ссылкой на фиг. 1, в частности, но не исключительно, пригодной для портативных лазерных дальномеров или целеуказателей. Тем не менее, метод согласования можно использовать и в более общем случае и, как было описано, для всех видов лазерных систем, где относительный сдвиг длины волны лазера и спектральной позиции характеристики нижестоящего фильтра является проблемой и где сдвиг по длине волны сам по себе допустим.

3. Модулируемый усилитель

Применительно к лазерной системе, согласно современному варианту осуществления и согласно описанию, приведенному со ссылкой на фиг. 1, мы имеем импульсную работу лазерного диода 3 и импульсную накачку каскадов оптоволоконного усилителя 7, 25 и, возможно, 39, в связи с чем накачка каскадов оптоволоконного усилителя синхронизирована с импульсной работой лазерного диода 3.

Рассмотрим в более общем плане импульсный режим работы лазерного источника и импульсную накачку нижестоящего оптического усилителя, а также синхронизацию этих импульсных режимов. Эти аспекты дополнительно проиллюстрированы в данной главе.

Изменение импульсной накачки усилителя в целях синхронизации можно рассматривать в рамках более широкого аспекта, а именно модуляции коэффициента усиления оптического усилителя, с одной стороны, с другой стороны, делая это, по меньшей мере, частично в синхронизме с импульсным режимом лазерного источника. Таким образом, этот метод применим к лазерной системе сам по себе или в сочетании с одним или несколькими другими аспектами настоящего изобретения.

Согласно фиг. 12, лазерный источник 151 излучает импульсный лазерный свет под управлением блока 153 импульсной регулировки через вход импульсной регулировки E_3P лазерного источника 151. Импульсный лазерный свет, излучаемый на выходе A₁₅₁, в ходе работы поступает на вход Е₁₀₇ каскада оптического усилителя 107. Каскад усилителя 107 модулируется по коэффициенту усиления. Модуляция коэффициента усиления регулируется блоком 113 управления модуляцией через вход регулировки коэффициента усиления E₁₀₇g каскада усилителя 107. На выходе каскада усилителя 107 излучается импульсный лазерный свет с модулируемым коэффициентом усиления, обозначенный на фиг. 12 как G(t)i, где i - импульсный лазерный свет, излучаемый лазерным источником 151, таким образом, работа блока 113 регулировки коэффициента усиления, т.е. изменение коэффициента усиления G(t) на каскаде усилителя 107, по меньшей мере, частично синхронизируется с импульсной работой лазерного источника 151, что показано на фиг. 12 блоком 114 синхронизации.

Модулированный коэффициент усиления G(t) может представлять собой составной сигнал коэффициента усиления, состоящий из, возможно, изменяющегося во времени компонента коэффициента усиления G₀(t), который не синхронизирован с импульсным светом, излучаемым лазерным источником 151, и компонента G_s(t), который синхронизирован с импульсной работой.

На фиг. 13, исключительно для примера, показан импульсный лазерный свет i (a), качественный график коэффициента усиления G(t)=G₀(t)+G₃(t), модулируемого на каскаде усилителя 107, и (c) результирующий импульсный свет G(t)i.

Из фиг. 13 следует, что модуляция коэффициента усиления содержит несинхронизированный компонент коэффициента усиления G₀(t) и наложенный на него синхронизированный компонент G_s(t). Синхронизация осуществляется, например, относительно нарастающего фронта r лазерных импульсов i и задается фазовым сдвигом ϕ(t). Фаза синхронизации ϕ(t) может быть, таким образом, неизменной во времени или может изменяться со временем. Из фиг. 13 следует, что, благодаря управляемой синхронизации модуляции коэффициента усиления G каскада оптического усилителя 107, временной ход лазерных импульсов на выходе каскада усилителя можно изменять наиболее гибко.

Существуют различные причины для изменения во времени энергии лазерных импульсов, излучаемых лазерным источником 151. В главе "2. Согласование температурного сдвига" мы рассмотрели, как относительные спектральные сдвиги между длиной волны λ_L лазерного света и характеристикой фильтра, например, узкополосного оптического фильтра, могут значительно влиять на энергию выходного лазерного света на длине волны λ_L и на S/N. Мы рассмотрели подход к согласованию температурного сдвига длины волны λ_L лазерного света и спектральной позиции характеристики нижестоящего фильтра для решения этой проблемы. Вместо этого подхода или в дополнение к нему, выходная энергия лазера, стоящего после каскада усилителя 107, как схематически показано на фиг. 12, может отслеживаться, и нежелательное уменьшение или увеличение такой энергии, например, вследствие взаимных сдвигов, может компенсироваться. Таким образом, рассмотренный здесь метод, а именно модуляция коэффициента усиления, позволяет противодействовать, в более общем случае, нежелательным изменениям выходной энергии независимо от их вышестоящего источника.

Дополнительные задачи, которые позволяет решить метод модуляции коэффициента усиления, состоят в максимизации S/N, оптимизации выходной энергии импульсов относительно входной электрической мощности, т.е. оптимизации энергетической эффективности.

В отношении модуляции коэффициента усиления каскада оптического усилителя можно применять различные возможности в зависимости от типа каждого каскада оптического усилителя.

Обычно оптический усилитель лазерного света является накачиваемым усилителем, что уже было оговорено в связи с фиг. 1. Таким образом, на накачиваемом оптическом усилителе, модуляцией коэффициента усиления можно управлять, регулируя энергию света накачки и/или длину волны света накачки. Дополнительная возможность регулировки коэффициента усиления состоит в обеспечении на оптическом усилителе оптической характеристики фильтра и в осуществлении модуляции коэффициента усиления путем спектрального сдвига характеристики фильтра, что было рассмотрено для различных оптических фильтров в главе "2. Согласование температурного сдвига", в частности в связи с "активным" режимом. Специалисту в данной области совершенно ясно, что, обеспечивая в каскаде усилителя 107 оптический фильтр, описанный в упомянутой главе и осуществляя управляемый спектральный сдвиг его характеристики фильтра, можно управляемо модулировать коэффициент усиления каскада усилителя 107. Кроме того, для накачиваемых усилителей можно модулировать оптическую длину возбужденного "активного" материала, каковая длина непосредственно влияет на коэффициент усиления каскада усилителя.

На фиг. 12 дополнительно показана конфигурация 115 датчиков, которая измеряет, после каскада усилителя 107 с модулируемым коэффициентом усиления, один или несколько параметров импульсного лазерного света. Такая конфигурация 115 датчиков может, например, измерять фактическое S/N, энергию импульса или усредненную энергию импульса. Измеренное фактическое значение нужного параметра, представленное электрическим сигналом на выходе A₁₁₅, сравнивается на блоке компаратора 117 с нужным значением нужного параметра или соответствующей временной зависимостью, заранее установленной в блоке 119 хранения. На выходе А₁₁₇ блока компаратора 117 генерируется разностный сигнал Δ, который управляет, через блок 121 управления, модуляцией коэффициента усиления каскада усилителя 107 на входе управления модуляцией E_113mod и/или регулирует значение коэффициента усиления G₀(t), т.е. несинхронизированной части коэффициента усиления G(t) усилителя. Таким образом, устанавливается регулировка посредством отрицательной обратной связи для требуемого элемента лазерного света после каскада усилителя 107. Очевидно, что вместо обеспечения регулировки посредством отрицательной обратной связи параметров лазерного света после каскада усилителя 107 можно также обеспечить управление с незамкнутой цепью путем регулировки синхронизированного компонента модулированного коэффициента усиления на E_113mod и/или путем регулировки несинхронизированного компонента модулированного коэффициента усиления G₀(t).

Согласно вышесказанному, обеспечение каскада оптического усилителя с модулированным коэффициентом усиления после лазерного источника позволяет, по существу, компенсировать температурные изменения выходной энергии лазера и S/N. Таким образом, по аналогии с эффектами вышеописанного метода согласования температурного сдвига, можно избежать значительных усилий по температурной стабилизации, в частности, лазерного источника. Это обеспечивает усовершенствование лазерной системы в целом в отношении компактности и энергопотребления. Такие требования существенны, в частности, для портативного или даже карманного оборудования, в которое интегрирована подобная лазерная система.

Мы рассмотрели такие лазерные системы со ссылкой на фиг. 1, а также - в более общем случае - в связи с лазерными системами, по меньшей мере, частично реализованными посредством оптоволоконной техники, которые, в частности, содержат один или несколько каскадов накачиваемого оптоволоконного усилителя. Вышеописанный метод модуляции коэффициента усиления каскада оптического усилителя после лазерного источника, в частности, пригоден для таких лазерных систем, отличающихся высокой компактностью и низким энергопотреблением с накачиваемыми каскадами оптоволоконного усилителя.

На фиг. 12 пунктирной линией представлен накачиваемый оптоволоконный усилитель 107_a. Таким образом и согласно вышесказанному, модуляция коэффициента усиления такого импульсного оптоволоконного каскада усилителя 107 может быть обеспечена посредством изменения интенсивности света накачки и/или изменения спектра света накачки и/или спектрального сдвига характеристики фильтра оптического фильтра на каскаде усилителя и/или изменения длины активно усиливающего материала вместо или в дополнение к модуляции коэффициента усиления посредством модуляции по ширине импульса накачки.

На фиг. 14 показана качественная диаграмма накачки с широтно-импульсной модуляцией для каскада оптического усилителя, например 107 или 107_a на фиг. 12. По аналогии с представлением на фиг. 13, "i" обозначает импульсы лазерного света, излучаемые на выходе A₁₅₁, показанном на фиг. 12. Каскад усилителя 107 или 107_a является накачиваемым, и импульсы света накачки поступают на вход регулировки коэффициента усиления E_107G. Таким образом, импульсы накачки, подобные показанным на графике (b) на фиг. 14, синхронизированы с импульсами лазерного света "i", например, с переменной задержкой по времени ϕ(t) (см. фиг. 13), относительно нарастающего фронта r импульсов лазерного света "i". Модуляция коэффициента усиления осуществляется в виде широтно-импульсной модуляции импульсов накачки, за счет чего, как показано на графике (b) фиг. 14, коэффициент заполнения, определяемый как отношение времени включения T_ON к периоду повторения импульсов τ, управляемо изменяется. Результирующие импульсы лазерного света показаны на графике (c). На фиг. 14 дополнительно показано, что модуляцией коэффициента усиления можно, помимо широтно-импульсной модуляции, управлять посредством интенсивности импульса накачки I_ON и/или I_Off, спектра света накачки, представленного на фиг. 14 длиной волны λ_P и/или, как показано на фиг. 12, геометрического изменения длины поглощающего материала 5.

На фиг. 15 показана часть лазерной системы, изображенной на фиг. 1. В ней, накачка одного или более одного из каскадов усилителя 7, 25 и, возможно, 39 осуществляется методом широтно-импульсной модуляции, описанным со ссылкой на фиг. 14. Таким образом и синхронно с импульсами управления лазером от блока 53, отдельные блоки широтно-импульсной модуляции 14_a, 14_b… регулируют импульсную накачку каскадов оптоволоконного усилителя 7, 25 и, возможно, 39 через диоды накачки 13_a, 13_b, и т.д.

Широтно-импульсную модуляцию на соответствующих блоках 14 можно, таким образом, регулировать по незамкнутой цепи или, согласно фиг. 12, регулировать посредством отрицательной обратной связи от блока 115 датчиков. Регулировка широтно-импульсной модуляции производится посредством соответствующего сигнала управления, поступающего на входы регулировки модуляции E_14mod. Таким образом, широтно-импульсную модуляцию для соответствующей накачки каскадов усилителя можно настраивать по-разному для разных блоков модуляции 14_a, 14_b, связанных с диодами накачки 13_a, 13_b… Настройки широтно-импульсной модуляции устанавливаются по-разному, в частности, с учетом разных положений импульсных каскадов усилителя на пути лазерного света. Различие может быть связано с фазовым сдвигом синхронизации ϕ(t), показанным на фиг. 13, а также с параметрами регулировки коэффициента усиления. Вместо диодов накачки 13_a,_b … можно использовать другие источники накачки, например лазерные источники накачки. Кроме того, вместо диодного лазерного источника 1 можно использовать лазерные источники других типов, например твердотельные лазерные источники.

Модуляция коэффициента усиления G оптического усилителя, описанная в этой главе, в целом, дает возможность противодействовать изменениям интенсивности лазерного света, обусловленным, например, влиянием температуры или старением системы. Этот метод наиболее пригоден для интеграции в лазерную систему, показанную на фиг. 1, в более общем случае, для лазерных систем, а именно для портативного или даже карманного оборудования, например, для вышеупомянутых карманных лазерных дальномеров и целеуказателей.

4. Двусторонний соединитель.

Согласно фиг. 1, мы имеем соединительный блок 49, который сам по себе, согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, считается признаком новизны.

Такой соединительный блок 249 в более общем виде показан на фиг. 16. Он содержит входное оптическое волокно или волновод 135, подключенный ко входу E₁₃₇ циркулятора 137. Входное волокно 135 идет от лазерного источника. Выход A₁₃₇ циркулятора 137 подключен к выходному оптическому волокну 145, подключенному к блоку детектора, например к блоку 43, показанному на фиг. 1. Вход/выход EA₁₃₇ циркулятора 137 подключен посредством волокна 139 к объективу лазерного устройства. Лазерный свет из лазерного источника поступает через циркулятор 137 в качестве выходного света O в волокно 139 и в объектив, а лазерный свет R, принятый на объективе, например, отраженный от цели, поступает через циркулятор 137 из волокна 139 через волокно 145 на блок детектора.

Существуют различные возможности выбора волокон 135, 139 и 145.

Согласно одному варианту осуществления, все эти волокна являются стандартными одномодовыми волокнами на длине волны λ_L лазерного света от лазерного источника. Это позволяет минимизировать общие потери. Лазерный свет канализируется только в сердцевине волокон. Таким образом, апертура светоизлучающей и светоприемной оптики объектива оказывается одинаковой. Оптимальную ширину апертуры F/# объектива можно адаптировать к расхождению волокна 139. Кроме того, поверхность детектирования блока детектора можно адаптировать к диаметру поля моды MFD волокна 145.

Согласно еще одному варианту осуществления, в котором все волокна 135, 139 и 145 выбраны как стандартные одномодовые волокна на длине волны лазера λ_L, излучаемый свет O канализируется только в сердцевине волокна 135 и 139. Принятый свет R канализируется в сердцевине, а также в оболочке волокон 139 и 145. Таким образом, в частности, волокна 139 и 145 выбираются короткими для минимизации потерь в оболочках до пренебрежимо малой величины. Поверхность детектирования блока детектора после волокна 145 нужно адаптировать к размеру оболочки этого волокна. Потери принятого света R на соединении минимизируются. Числовая апертура излучателя выбирается отличной от числовой апертуры приемника на объективе.

Согласно еще одному варианту осуществления, волокно 135 оптимизировано в отношении лазерного источника, и волокна 139 и 145 являются маломодовыми. Поскольку длина волокна 139 выбрана короткой и это волокно, по существу, не изогнуто, связью между основной и более высокими модами можно пренебречь и достигается оптимальное качество пучка. Согласно еще одному варианту осуществления, волокно 135 оптимизировано в отношении лазерного источника, и волокно 139 является двухоболочечным волокном, которое имеет тот же самый MFD сердцевины, что и волокно 135. Волокно 145 оптимизировано для сбора света, канализируемого в оболочке и сердцевине волокна 139.

Согласно еще одному варианту осуществления, волокна 135, 139 и 145 являются многомодовыми волокнами.

Если лазерный источник является источником поляризованного лазерного света, то, согласно еще одному варианту осуществления, волокна выбираются как волокна, поддерживающие поляризацию. Это упрощает разделение излученного -O- и принятого -R- света.

Согласно еще одному варианту осуществления, используются фотонно-кристаллические волокна, одно- или двухоболочечные, что обеспечивает высокую гибкость в отношении выбора параметров MFD для излученного -O- и принятого -R- света.

Коммерчески доступные блоки 137 неполяризованного циркулятора можно адаптировать к разным вышеупомянутым волокнам. Изготовители циркуляторов часто предписывают определенные параметры волокон. Поэтому, согласно описанию фиг. 1, нужно осуществлять сращивание оптимальных волокон с волокнами циркулятора для минимизации потерь.

Блок 137 циркулятора, согласно одному варианту осуществления, является циркулятором, не зависящим от поляризации, который отделяет принятый свет R от переданного света O и, таким образом, дополнительно удаляет фоновый свет путем фильтрации.

Полностью волоконный соединительный блок 149 или 49, показанный на фиг. 1, имеет то преимущество, что его можно применять с неполяризованным лазерным светом, что, в частности, пригодно для применения в портативном дальномере и целеуказателе. Не существует никаких ограничений, связанных с отношением коаксиальных поверхностей, определенным как отношение поверхности излучателя или приемника, к полной поверхности объектива, или с состоянием поляризации принятого света.

Применение адаптации MFD на конце волокна -139- полностью волоконного устройства позволяет реализовать оптимальное расхождение пучка устройства с соединительным блоком 149 или 49, например, дальномера или целеуказателя, без обеспечения дополнительных линз. Увеличение MFD повышает надежность на конце волокна 139.

MFD волокна 139 непосредственно определяет числовую апертуру на конце волокна и зависит от геометрии и/или показателя преломления волноводного волокна. Числовая апертура конца волокна определяет размер пучка, выходящего из объектива, и, таким образом, расхождение лазерного пучка, излучаемого устройством, например устройством дальномера или целеуказателя. Поэтому выбор MFD на конце волокна 139 влияет на производительность такого устройства. Несмотря на то что оптимального расхождения излучаемого пучка можно добиться, располагая оптические линзы после конца волокна 139, согласно одному варианту осуществления соединителя 149 и 49 - согласно вышеприведенному описанию - адаптация MFD осуществляется на конце волокна 139 напротив циркулятора 137, что позволяет исключить дополнительные линзы. Известны разные методы изменения и, таким образом, оптимизации MFD такого волокна 139.

Увеличения MFD можно добиться путем диффузии легирующих присадок, обеспечиваемой нагревом волокна в пламени согласно J. of Appl. Phys.; Vol. 60 No.12 pp.4293, 1986, K. Shigihara et al. или J. Lightwave Technol. Vol. 8 No.8 pp.1151, 1990, K. Shiraishi et al. или Electron. Lett. Vol. 24 No. 4 pp.245, 1988 J.S. Harper et al.

Другая известная возможность состоит в облучении волокна лазером на CO₂ согласно Appl. Opt. Vol. 38 No.33, pp.6845, 1999; Т.Е. Dimmick et al.

Еще одна известная возможность увеличения MFD одномодовых волокон состоит в уменьшении диаметра сердцевины путем обработки волокна на конус, Electron.Lett. Vol. 20 No.15 pp. 621, 1984; Keil, R.

Дополнительные оболочечные моды имеют больший диаметр пучка, чем сердцевинные моды. Поэтому переход сердцевинной моды вблизи конца волокна 139 в оболочечную моду позволяет значительно изменять числовую апертуру. Этот эффект был исследован в Opt. Commun. Vol.183 pp.377, 2000; Y. Li et al.

Снабженные линзами концы волокон представлены в публикации Jarmolik et al. Optik Vol. 110, No.1, pp.37 1999, A. Jarmilik et al. lensed fibre ends.

В целом, увеличение диаметра излучаемого пучка позволяет применять более высокую пиковую мощность.

Еще один метод увеличения MFD на конце волокна 139 предусматривает облучение ультрафиолетом фоточувствительной оболочки на волокне 'Spot size expander using UV-trimming of trilayer photosensitive fibres'; OECC/I00C 2001, Conference Incorporating ACOFT, Sydney, pp. 408, 2001; R.A. Jarvis et al. или 'High-energy and high-peak-power nanosecond pulse generation with beam quality control in 200 µm core highly multimode Yb-doped fibre amplifiers'; Opt. Lett. Vol.30 No.4 2005; pp.358; Cheng et al. Заметим также, что бессердцевинные волоконные наконечники можно насаживать на конец волокна 139 для полного исключения поверхностных повреждений, что известно из US-20040036957 (A. Galvanauskas et al.).

Таким образом, соединительный блок 149 или 49, показанный на фиг. 16, обеспечивает одноканальное/ый излучение и прием лазерного света для поляризованного или неполяризованного лазерного света. Он идеально подходит в сочетании с диодными или твердотельными лазерными источниками, с использованием метода соединения оптических волокон, в частности, для полностью волоконной лазерной системы, например полностью волоконной лазерной системы MOPA, описанной со ссылкой на фиг. 1. Таким образом, оптоволоконные лазерные системы гарантируют повышение стабильности и надежности в отношении внешних возмущений по сравнению с системами, содержащими свободное пространство. Такие лазерные системы могут иметь очень высокую компактность и наличие выходного пучка, а также приемного пучка в хвостовой части волокна позволяет, по существу, независимо располагать входной/выходной лазерный порт на соответствующем устройстве с такой лазерной системой. Одноканальная излучающая/приемная оптика дополнительно повышает компактность, допуская высокую стабильность системы. Таким образом, полностью волоконный приемный канал, ведущий к детекторному диоду, подает только свет, присутствующий в волокне, на такой диод, тем самым снижая интенсивность рассеянного света, падающего на такой диод.

Мы описали реализованный в настоящее время вариант осуществления полностью волоконной лазерной системы, в которой реализована совокупность различных признаков. Все эти признаки, в частности, согласование температурного сдвига, модуляция коэффициента усиления оптических усилителей и двусторонний оптический соединительный блок, сами по себе рассматриваются как признаки новизны, применимые по отдельности или в любой комбинации лазерными системами, которые могут отличаться от системы согласно современному варианту осуществления.

Реферат

Изобретение относится к лазерной технике. Способ содержит этапы, на которых генерируют лазерный свет в спектральном диапазоне; фильтруют лазерный свет стабилизирующим фильтром со спектральной характеристикой в спектральном положении; сдвигают спектральное положение упомянутой спектральной характеристики стабилизирующего фильтра в зависимости от температуры; фильтруют лазерный свет дополнительным фильтром со спектральной характеристикой в спектральном положении для генерации выходного лазерного света. Спектральное положение упомянутой спектральной характеристики дополнительного фильтра сдвигают при осуществлении согласования сдвига спектрального положения спектральной характеристики дополнительного фильтра и спектрального положения спектральной характеристики стабилизирующего фильтра. Технический результат заключается в обеспечении возможности сохранения постоянной интенсивности выходящего лазерного света. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 16 ил.

Формула