Оптоволоконная структура для эффективного использования излучения накачки, оптическая система усиления излучения накачки и оптоволоконная структура для усиления излучения накачки

Оптоволоконная структура для эффективного использования излучения накачки, оптическая система усиления излучения накачки и оптоволоконная структура для усиления излучения накачки

Реферат

 

Изобретение относится к волоконной оптике. Оптоволоконная структура для усиления излучения состоит по крайней мере из одной сердцевины, селективно легированной активными усиливающими излучение частицами, и окружающей сердцевину внутренней оболочки, которая служит для приема энергии многомодового излучения накачки от внешнего источника, ее локализации и передачи в сердцевину посредством многократного взаимодействия с активными частицами сердцевины по мере распространения излучения накачки вдоль оптического волокна. Поперечное сечение внутренней оболочки представляет собой непрямоугольный выпуклый многоугольник. В сердцевине формируется практически однородное поле излучения с изотопным распределением несущих энергию накачки различных мод излучения. Технический результат изобретения - создание оптического волокна с оптимальной эффективностью передачи излучения. 6 c. и 26 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к оптоволоконной структуре для эффективного использования излучения накачки, оптической системе усиления излучения накачки и оптоволоконной структуре для усилителей излучения накачки и точнее - к многооболочечным оптоволоконным структурам с одной или несколькими усиливающими излучение сердцевинами, подобными тем, которые используются в оптических усилителях или волоконных лазерах.

Общеизвестно, что за последние несколько лет техника оптоволоконных усилителей и лазеров получила существенное развитие. Ранее такие усилители и лазеры имели заключенную в оболочку сердцевину с распределенными в ней активными усиливающими излучение частицами. Сердцевина, являющаяся основой для активных частиц, изготавливалась обычно из кварцевого стекла, однако для этого использовали также стекла на фторидной или фосфатной основе. Концентрация активных частиц, длина волокна и мощность излучения накачки выбирались такими, чтобы усиление излучения, распространяющегося по волокну, превосходило его потери, а при наличии соответствующей обратной связи обеспечивалась генерация лазерного излучения. Полезная мощность излучения при этом измерялась милливаттами.

Вначале накачка сердцевины осуществлялась через ее боковую поверхность с помощью импульсных ламп, однако затем она была заменена накачкой через торец волокна (т.е. "торцевым возбуждением"). Однако накачка через торец не очень эффективна даже при использовании лазерных диодов, и, поскольку физические и оптические свойства источника накачки и волокна не позволяли на практике достаточно полно использовать мощность накачки, выходная мощность излучения при таком способе накачки была ограничена достаточно низким уровнем, порядка милливатт. С созданием лазерных диодных матриц, работающих с длинами волн, пригодными для накачки многих редкоземельных ионов, появились возможности для получения на выходе более высоких мощностей излучения. Однако из-за низкого качества излучения таких лазеров и практических ограничений на числовую апертуру (т.е. телесный угол приема излучения) оптического волокна реально оказалось невозможным эффективно соединить такие более мощные источники излучения накачки с сердцевиной волокна, прежде всего в случае одномодовой сердцевины, когда для эффективной передачи излучения в сердцевину требуется создать одномодовое излучение накачки.

Однако Snitzer и др. в US 4318079 предложили оригинальное решение этой проблемы, причем значительно лучше, чем предложенное ранее Maurer и описанное в US 3808549. В схеме Snitzer и др., далее в описании именуемой как "накачка через оболочку", содержащая активные ионы одномодовая сердцевина окружена не содержащей активных примесей многомодовой внутренней оболочкой с меньшим, чем у сердцевины показателем преломления и имеет обеспечивающую эффективную накачку особую геометрию. Эта оболочка в свою очередь окружена внешней оболочкой, имеющей еще меньший коэффициент преломления. Излучение накачки передается во внутреннюю оболочку и благодаря полному внутреннему отражению от границы между оболочками не выходит из нее, распространяясь вдоль внутренней оболочки, которая по отношению к внешней оболочке служит своего рода сердцевиной. Очевидно, что физические размеры многомодовой внутренней оболочки превышают размеры сердцевины и поэтому для излучения накачки внутренняя оболочка представляет собой лучшую цель, в результате чего повышается не только числовая апертура, являющаяся функцией показателей преломления обеих оболочек, но и эффективность приема такой структурой излучения накачки. По мере распространения излучения накачки вдоль внутренней оболочки его энергия поглощается сердцевиной, обеспечивая инверсию заселенности, необходимую для получения усиления и последующей генерации лазерного излучения с соответствующей обратной связью. Эта гибридная схема, в которой осуществляется как продольная, так и поперечная накачка, обладает значительным преимуществом, состоящим в том, что она позволяет использовать некогерентный источник для эффективной накачки одномодовой сердцевины и получения одномодового лазерного излучения. Особенно эффективными при этом оказались такие внутренние оболочки, геометрическая форма поперечного сечения которых представляет собой вытянутую фигуру типа прямоугольника, а также оболочки с эксцентричным расположением сердцевины.

Хотя предложенные Snitzer и др. конфигурации и позволяют улучшить эффективность накачки и получить одномодовое излучение от волоконного лазера, тем не менее основную задачу настоящего изобретения можно сформулировать как поиск большого количества различных форм внутренней оболочки, которые можно было бы использовать для эффективной накачки через оболочку различных волоконных усилителей и лазеров.

Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка различных эффективных форм оболочек для использования с различными источниками энергии накачки с разным распределением мод излучения.

Задачей настоящего изобретения является также разработка эффективных форм оболочек, обеспечивающих согласование волокна с характеристиками имеющихся источников накачки.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании оптического волокна с оптимальной эффективностью передачи излучения.

Задача изобретения состоит также в создании оптического волокна с одномодовой сердцевиной.

Еще одной задачей изобретения является создание оптического волокна, в котором образуется равномерное распределение мод излучения внутри внутренней оболочки волокна.

И, наконец, последней задачей изобретения является создание оптического волокна, в котором эффективность использования излучения не зависит от положения его сердцевины.

Указанные задачи решаются при помощи оптоволоконной структуры для усиления излучения, содержащей по крайней мере одну селективно легированную активными частицами сердцевину и внутреннюю оболочку, окружающую сердцевину. Внутренняя оболочка служит для приема энергии многомодового излучения накачки от внешнего источника, ее концентрации и передачи в сердцевину посредством повторяющегося взаимодействия излучения накачки с активным материалом внутри сердцевины по мере распространения излучения вдоль структуры. Поперечное сечение внутренней оболочки имеет согласно изобретению форму в виде непрямоугольного выпуклого многоугольника. При такой форме поперечного сечения внутренняя оболочка обеспечивает распространение по волокну излучение накачки с формированием практически однородного поля излучения накачки с изотропным распределением различных мод излучения, несущих энергию накачки. Каждая многоугольная форма характеризуется следующими свойствами: 1) если ограничение участка плоскости осуществляется несколькими идентичными стыкуемыми друг с другом впритык многоугольниками, то все многоугольники должны совмещаться друг с другом таким образом, чтобы между соседними многоугольниками не было никаких свободных промежутков и 2) каждый из перекрывающих плоскость многоугольников должен быть зеркальным отображением любого другого лежащего на плоскости многоугольника относительно их любой общей стороны. К таким предлагаемым многоугольным формам поперечного сечения внутренней оболочки относятся выпуклые многоугольники с тремя, четырьмя и шестью сторонами.

Для решения поставленных задач предлагается также оптическая система усиления излучения накачки, включающая источник излучения накачки, оптоволоконную структуру согласно изобретению и устройство для проецирования излучения источника накачки на внутреннюю оболочку оптоволоконной структуры, которое расположено между ней и указанным источником, и для преобразования создаваемого источником накачки излучения с целью согласования его числовой апертуры с оптическими характеристиками оптоволоконной структуры согласно изобретению.

В оптической системе согласно изобретению может быть использован оптический соединитель, расположенный между оптоволоконной структурой и лазерной диодной матрицей и преобразующий излучение, выходящее из лазерной диодной матрицы, в комбинированное выходное излучение.

Подробное описание изобретения, раскрывающее на конкретных примерах его цели, преимущества, конструктивные особенности и принцип работы, проиллюстрировано следующими чертежами, на которых: на фиг. 1 дано схематичное изображение поперечного сечения известного оптического волокна с сердцевиной, легированной усиливающими излучение частицами и расположенной во внутренней оболочке, которая в свою очередь заключена во внешнюю, наружную оболочку; на фиг. 2 - схематичное изображение продольного сечения оптического волокна известной конструкции, соосно состыкованного с волноводом и соединенного с источником излучения; на фиг. 3 - изображение участка продольного поперечного сечения волоконного лазера известной конструкции и лучей, распространяющихся внутри его сердцевины; на фиг. 4А - упрощенное изображение поперечного сечения оптического волокна, на котором показаны отрезки прямой, изображающие движущиеся внутри волновода лучи, представляющие собой различные моды излучения; на фиг. 4Б - схематичное изображение поперечного сечения оптического волокна по фиг. 4А с изображением лучей более низкой моды излучения с углом подскока около 10^o; на фиг. 4В - схематичное изображение поперечного сечения, аналогичного показанному на фиг. 4А, с изображением лучей более высокой моды излучения с углом подскока около 40^o ; на фиг. 5 - схематичное изображение поперечного сечения лазера известной конструкции с содержащей активный материал сердцевиной, эксцентрично расположенной внутри внутренней оболочки; на фиг. 6 - схематичное изображение поперечного сечения оптического волокна с волноводом предлагаемой в изобретении конструкции с изображением проекций в плоскости поперечного сечения нескольких отрезков прямой, изображающих луч, движущийся вдоль волокна; на фиг. 7 - схема, иллюстрирующая две возможности графического представления движущегося вдоль волокна оптического луча, отражающегося от внутренних границ волновода; на фиг. 8 - схема, иллюстрирующая характерное для "заполнения пространства уложенными без промежутков плоскими элементами" свойство многоугольника, форма которого используется в предлагаемом в изобретении волноводе; на фиг. 9 - изображение участка обычного многоугольника; на фиг. 10А-10Г - схемы предлагаемых в изобретении вариантов оптического волокна с треугольным поперечным сечением волновода; на фиг. 11А-11Г - схемы предлагаемых в изобретении вариантов оптического волокна с четырехугольным поперечным сечением волновода; на фиг. 12 - схема предлагаемого в изобретении варианта оптического волокна с шестиугольным поперечным сечением волновода; на фиг. 13 - схема общего вида оптической системы усиления, в которой использовано предлагаемое в настоящем изобретении оптическое волокно, с изображением лазерного излучателя, оптического соединителя, фокусирующей оптики и оптического волокна.

Обычно в оптоволоконных усилителях и лазерах оптическое излучение распространяется внутри сердцевины составного оптического волокна. Во время работы усилителя или лазера сигнальное излучение или излучение накачки инжектируется в один из торцов оптического волокна, концентрируется и направляется волокном и выходит из другого его торца как усиленный сигнал или лазерное излучение.

На фиг. 1 показано поперечное сечение круглого осесимметричного многооболочечного оптического волокна 10, состоящего из сердцевины 14, внутренней оболочки 12, окружающей сердцевину 14, и внешней оболочки 16, окружающей внутреннюю оболочку 12. Для одномодового излучения диаметр сердцевины 14 находится в пределах от 2 до 10 мкм. При малой мощности излучения обычно используется одномодовое излучение накачки, которое вводится непосредственно в сердцевину 14. Если показатель преломления n₁ сердцевины 14 больше показателя преломления n₂ внутренней оболочки 12, то излучение из-за полного внутреннего отражения концентрируется в основном внутри сердцевины. Как хорошо известно, полное внутреннее отражение возникает тогда, когда излучение падает на границу сердцевины под углом меньше критического _c Угол _c , измеряемый от нормали к границе сердцевины, определяется из соотношения sin_c = sin^-1(n₂/n₁).

Однако большинство существующих источников одномодового излучения имеют низкую мощность и поэтому даже при их эффективном соединении с волокном они оказываются непригодными в тех случаях, когда требуется получить высокую мощность излучения. В этих случаях необходимо иметь источники более мощного излучения, но такие источники обычно являются многомодовыми, а их излучение нельзя вводить непосредственно в сердцевину волновода без происходящей при этом потери яркости. Одним из решений этой проблемы был непрямой ввод многомодового излучения во внутреннюю оболочку, которая действовала как волновод, собирающий и направляющий введенное в него излучение.

В таком оптическом волокне 10 благодаря внутреннему отражению излучения на границе 18 между внутренней оболочкой 12 с показателем преломления n² и внешней оболочкой 16 с меньшим показателем преломления n₃ внутренняя оболочка 12 действует как волновод. Назначение внутренней оболочки 12 состоит в том, чтобы собрать в себе введенное излучение таким образом, чтобы оно по мере распространения вдоль волокна 10 многократно пересекало сердцевину 14. При каждом таком пересечении сердцевины 14 часть излучения накачки поглощается активной примесью, содержащейся внутри сердцевины 14. С целью обеспечить большое количество таких взаимодействий и поглотить в сердцевине максимально возможную часть излучения накачки обычно используют оптическое волокно длиной в десятки метров.

В оптоволоконных усилителях для преобразования усиливающего излучения в сигнал, распространяющийся по сердцевине, могут использоваться волокна различной конфигурации, одна из которых показана на фиг. 1. В US 3808549, выданном на имя Maurer, описано оптоволоконное передающее устройство, в котором источник излучения соосно состыкован с волокном. Передающее устройство состоит из оптического волокна 20 и волновода 32, продольное сечение которых в этом патенте показано на фиг. 1, а в настоящем описании показано на фиг. 2. Оптическое волокно 20 имеет внутреннюю прозрачную оболочку 22, нанесенную на поверхность сердцевины 24, и тонкую внешнюю оболочку 26, нанесенную на поверхность внутренней оболочки 22. Выходной конец 25 волокна 20 соосно состыкован с входным концом 35 волновода 32. Излучение, генерируемое в сердцевине 24, передается в волновод 32.

В указанном патенте говорится, что для того, чтобы заметная часть излучения от источника 34 попадала в сердцевину 24 и распространялась вдоль нее, показатель преломления внешней оболочки 26 должен быть достаточно малым по сравнению с показателем преломления внутренней оболочки 22. Сердцевина 24 поглощает излучение при его многократных отражениях в обоих направлениях от границы раздела 28 оболочек. В этом патенте также говорится, что длина оптического волокна 20 должна быть достаточно большой, чтобы основная часть излучения поглощалась в сердцевине 24.

В US 4829529, выданном на имя Kafka, описано многооболочечное оптическое волокно, применяемое в качестве резонатора волоконного лазера. На фиг. 2 этого патента показано сбоку поперечное сечение одномодового волокна и связанного с ним волоконного многомодового резонатора накачки волокна. В настоящем описании этот чертеж воспроизведен на фиг. 3. Для более наглядного пояснения на фиг. 3 показана также система 39 xyz-координат.

Волоконный лазер 40 состоит из одномодовой сердцевины 44, окруженной многомодовой оболочкой 42 и внешней оболочкой 46, которая вместе с внутренней оболочкой образует резонатор накачки. Показатели преломления оболочек 42 и 46 выбраны таким образом, чтобы излучение накачки полностью отражалось внутрь волокна на границе раздела 48. По мере распространения излучения вдоль оболочки 42 оно может много раз пересекать сердцевину 44, взаимодействуя при этом с активным усиливающим веществом внутри сердцевины 44, при условии соответствия этому моды излучения. Однако не каждая мода, возбуждающаяся в такой структуре, распространяется по пути, пересекающему сердцевину. В действительности косые лучи, переносящие основную часть энергии излучения накачки, концентрируются в кольцевой области, окружающей сердцевину, и поэтому вообще не пересекают ее. Поскольку сердцевина расположена в центре, вдали от места концентрации большей части энергии излучения накачки, такие осесимметричные круглые волоконные структуры, относительно неэффективно использующие излучение накачки, не представляют для практики большого интереса. Неоднородное распределение мод в круглых симметричных волокнах обусловлено их геометрией, поэтому круглые структуры с центральным расположением сердцевины по существу просто непригодны для эффективного использования энергии излучения накачки.

Следовательно, увеличение площади сечения сердцевины по отношению к площади оболочки может улучшить эффективность взаимодействия излучения и волокна. Однако размеры сердцевины и оболочки обычно определяются физическими параметрами лазера и усилителя. Диаметр сердцевины 14, который должен быть достаточно малым для того, чтобы по сердцевине распространялось только одномодовое излучение, обычно составляет 10 мкм или менее. Диаметр оболочки, который должен быть достаточно большим для того, чтобы эффективно принимать многомодовое излучение источника, обычно составляет от 125 до 1100 мкм. Поэтому до сих пор остается актуальной проблема создания такой конфигурации оптического волокна, при которой, не увеличивая поперечных размеров сердцевины, можно было бы повысить эффективность передачи по волокну излучения накачки.

Один из способов решения этой проблемы описан в US 5291501, выданном на имя Hanna, согласно которому для введения многомодового излучения в сердцевину оптического волокна используется "накачка через оболочку". В этом патенте внутренняя оболочка легирована одной активной добавкой, а одномодовая сердцевина - другой добавкой, отличной от лазерно-активной добавки, вследствие чего лазерное излучение, возникающее в результате накачки внутренней оболочки, служит излучением накачки для лазерно-активного материала сердцевины оптического волокна. В этом патенте отмечается, что из-за утечки излучение в основном поглощается активным материалом внутренней оболочки, а не сердцевиной. Поэтому в этой конструкции излучение накачки поглощается на значительно более коротком пути, чем в других конфигурациях, в которых используется прозрачная внутренняя оболочка. Однако такое решение проблемы требует наличия во внутренней оболочке волокна активной примеси.

Обычные оптоволоконные усилители и волоконные системы, подобные описанным выше, имеют оптические волокна с круглым поперечным сечением. Все попытки увеличить эффективность передачи через них излучения делались без достаточно полного учета ограничений, накладываемых на процесс взаимодействия с излучением внутренней оболочки, выполненной в виде круглого осесимметричного волновода. В круглом волноводе, используемом для приема и передачи излучения в расположенную в центре волокна сердцевину, распределение излучения неизотропно, и поэтому не каждая мода излучения пересекает сердцевину. Вследствие этого не все излучение, присутствующее в оптическом волокне, может быть поглощено сердцевиной.

Это ограничение наиболее наглядно проиллюстрировано на фиг. 4А-4В. Поперечное сечение оптического волокна 60 представляет собой упрощенное изображение поперечного сечения многооболочечного оптического волокна. Распространяющееся по волокну излучение показано в виде множества лучей 61, сконцентрированных во внутренней оболочке 62. Поскольку графически изобразить сотни и даже тысячи мод излучения, присутствующих в многомодовой оптоволоконной структуре, практически невозможно, то на фиг. 4А показаны лишь несколько лучей.

Хорошо известно, что угол подскока луча для одной моды излучения как показано в плоскости х-у, в общем случае не равен углу подскока луча для другой моды. Луч 61а моды высшего порядка распространяется вдоль оптического волокна 60 с меньшим углом подскока (например, 10^o), как показано на фиг.4Б, в то время, как луч 61Ь моды более низкого порядка распространяется с большим углом подскока (например, 40^o), как показано на фиг. 4В. Кроме того, поскольку поперечное сечение внутренней оболочки 62 представляет собой круг, то угол подскока луча определенной моды излучения не изменяется по мере распространения излучения вдоль волокна.

На фиг. 4Б показано, что луч 61а моды высшего порядка с малым углом подскока (т. е. углом между падающим и отраженным лучами) проходит через занятую сердцевиной зону волокна 60 и может пересечь расположенную в центре сердцевину. В отличие от этого луч 61b моды более низкого порядка с большим углом подскока не пересекает сердцевину 64, расположенную в центре оптического волокна 60. Кроме того, поскольку угол подскока луча 61b не изменяется при распространении излучения по волокну, то независимо от длины волокна 60 любой отраженный луч, следующий за лучом 61b, не будет проходить через сердцевину 64. Иными словами различные моды излучения, распространяясь по круглому волноводу, будут распределены в нем неизотропно.

Учитывая, что геометрия поперечного сечения волокна определяет распределение мод излучения в нем, Snitzer и др. существенно улучшили широко применявшуюся ранее чисто осесимметричную круглую форму волокна с двумя оболочками. Предложенные ими структуры описаны в US 4815079, выданном на имя Snitzer и др. На фиг. 5, соответствующей фиг. 1 в этом патенте, показано поперечное сечение оптоволоконного лазера 70, состоящего из одномодовой сердцевины 74, окруженной внутренней оболочкой 72. Внутренняя оболочка 72 в свою очередь окружена внешней оболочкой 76, показатель преломления n₃ которой меньше показателя преломления n₂ внутренней оболочки 72. Лазер может также иметь защитную оболочку 77. В показанной конфигурации сердцевина 74 расположена эксцентрично во внутренней оболочке 72. В указанном патенте величина смещения сердцевины определяется необходимостью поглощения сердцевиной 74 cущественной части излучения, распространяющегося во внутренней оболочке 72. Такая передача излучения в сердцевину происходит всякий раз, когда распространяющееся во внутренней оболочке 72 излучение пересекает эксцентрично расположенную сердцевину 74 и поглощается ею. Предложенное в этом патенте устройство позволило повысить эффективность использования излучения приблизительно до 27%.

Повышение эффективности за счет смещения сердцевины 74 из центра волокна 70 обусловлено тем, что излучение внутри круглого волновода или внутренней оболочки 72 распределено по сечению волокна 70 не равномерно, а концентрируется в кольцевой зоне вокруг сердцевины. Во втором варианте устройство, предложенное Snitzer и др., имело внутреннюю оболочку вытянутой формы, предпочтительно прямоугольную в сечении, что, как предполагалось, должно было сконцентрировать большую часть мод излучения в наиболее узкой части структуры, где располагалась сердцевина. Эта структура оказалась значительно лучше известных ранее структур и позволила повысить эффективность использования излучения как минимум до 70%.

На основании всего высказанного можно предположить, что общий подход к решению проблемы повышения эффективности взаимодействия излучения и волокна состоит в поиске таких конфигураций оптического волокна, которые создают неоднородное поле и "концентрируют" различные моды излучения в определенной области поперечного сечения внутренней оболочки волокна. Помещая в эту область концентрации мод сердцевину, за счет увеличения числа мод излучения, пересекающих сердцевину, можно добиться повышения эффективности передачи волокном излучения. Однако внутри модально неизотропного волновода не все моды достигают сердцевины. Для достижения оптимальной эффективности все моды излучения, проходящего через оптическое волокно, должны пересечь его сердечник. В противном случае энергия мод излучения, не проходящих через сердцевину, не будет поглощаться активным материалом сердцевины, а эффективность взаимодействия волокна с излучением снизится.

Это можно проиллюстрировать, вернувшись снова к фиг. 4Б и 4В. Нетрудно заметить, что с увеличением угла подскока кольцевая область 62' внутри оболочки 62, в которой концентрируется соответствующее излучение, становится более узкой. Для того, чтобы перехватить моды излучения с углом подскока, приближающимся к 180^o, необходимо разместить сердцевину 64 на очень небольшом расстоянии от границы 68 раздела оболочек. Однако, если сердцевину 64 расположить вблизи границы 68, то в ней из-за большего числа пересечений будет преимущественно поглощаться излучение с большими углами подскока лучей. Излучение с меньшими углами подскока лучей будет в основном распространяться по проходящим через центр внутренней оболочки 62 траекториям и, следовательно, будет с пропорционально меньшей вероятностью поглощаться смещенной от центра сердцевиной 64. Кроме того, способность удерживать излучение смещенной от центра сердцевиной 64 снижается под влиянием возникающего поля излучения. Следовательно, между сердцевиной 64 и границей 68 всегда должно быть оставлено некое минимальное расстояние. Таким образом, физические ограничения не позволяют разместить сердцевину в круглом волноводе таким образом, чтобы ее пересекали все моды излучения.

В настоящем изобретении использованы конфигурации двухоболочечного оптического волокна с равномерным распределением мод излучения во внутренней оболочке. В этих конфигурациях на сердцевину воздействуют все моды излучения. Кроме того, в этих конфигурациях любое расположение сердцевины во внутренней оболочке никак не влияет на эффективность передачи излучения волокном. Было установлено, что однородное поле излучения образуется в том случае, когда геометрическая форма волновода, или внутренней оболочки оптического волокна, удовлетворяет определенным рассмотренным ниже критериям.

Хорошо известно, что площадь поперечного сечения многомодовой внутренней оболочки A_{многомод} определяется мощностью (P) излучения накачки, числовой апертурой (ЧА) волновода и "яркостью" (В) источника излучения накачки (т.е. интенсивностью излучения на единицу телесного угла). Зависимость, связывающая эти величины имеет следующий вид: A_{многомод}=P/[B(ЧА)²].

При условии, что излучение накачки изотропно и однородно по угловому распределению (а потому и в поперечном сечении плоскостью), из Теоремы Яркости следует, что в различных местах поперечного сечения внутренней оболочки в лучшем случае можно иметь лишь одну и ту же интенсивность излучения и что нельзя увеличить ее в одном месте за счет уменьшения в другом. Поэтому максимально возможная эффективность передачи излучения из внутренней оболочки в сердцевину определяется соотношением площадей поперечного сечения сердцевины и внутренней оболочки (т.е. A_серд/A_{многомод}). На основании этого можно провести анализ, показывающий, что такую оптимальную эффективность можно получить только тогда, когда волоконный волновод, или внутренняя оболочка, имеет в поперечном сечении форму одного из описанных ниже многоугольников.

На фиг. 6 показана форма поперечного сечения и геометрия предлагаемого в настоящем изобретении оптического волокна 130. В продольном направлении в системе 129 координат x-y-z оптическое волокно 130 расположено по оси z. Оптическое волокно 130 имеет сердцевину 134, заключенную во внутреннюю оболочку 132. Сердцевина 134 представляет собой оптический кристалл, например, кварцевое стекло, которое легировано хорошо известным способом усиливающим излучение материалом. В предпочтительном варианте используемый в качестве сердцевины кремнезем легирован ионом редкоземельного элемента типа неодима (Nd³⁺) или иттрия, содержание которого в стекле не превышает 0,5 вес.%. Обычно сердцевина 134 имеет круглое поперечное сечение, хотя возможно использование сердцевин и с другим поперечным сечением, например, эллипсным.

Внутренняя оболочка 132 изготовлена из материала, показатель преломления которого n₂ меньше показателя преломления n₁ материала сердцевины. Поперечное сечение внутренней оболочки 132 имеет форму выпуклого многоугольника. Оптическое волокно 130 имеет также наружную оболочку 136, изготовленную из материала, показатель преломления n₃ которого меньше показателя преломления n₂ внутренней оболочки, при этом числовая апертура входного конца внутренней оболочки равна примерно 0,4. Оптическое излучение локализуется во внутренней оболочке 132 за счет полного внутреннего отражения излучения на границе раздела между ней и оболочкой 136. Внутренняя оболочка 132 работает как сердцевина по отношению к наружной оболочке 136 и передает излучение в сердцевину 134. Наружная оболочка предпочтительно имеет круглое поперечное сечение и изготовлена предпочтительно из фторсодержащего полимера с низким показателем преломления.

В рассматриваемом варианте многоугольник показан в виде двусторонне симметричного четырехугольника, что сделано исключительно для упрощения дальнейшего анализа и никак не ограничивает форму поперечного сечения внутренней оболочки 132. В настоящем изобретении предлагаются различные формы поперечного сечения внутренней оболочки, речь о которых пойдет ниже. Оптоволоконный волновод с одной из предложенных форм поперечного сечения преобразует поступающее в него многомодовое оптическое излучение и формирует внутри оптического волокна практически однородное поле излучения. Под однородным полем излучения понимается поле излучения с практически постоянной по всему поперечному сечению оптоволоконного волновода интенсивностью излучения. Излучение, распространяющееся через оптическое волокно 130, образует внутри него однородное поле излучения благодаря геометрическим свойствам формы поперечного сечения внутренней оболочки 132.

Поскольку создаваемое в таком волокне поле излучения является однородным, то у всех оптических лучей, распространяющихся внутри оптического волокна 130, часть времени, в течение которого они проходят через сердцевину 134 (приблизительно равная A_серд/A_{многомод}, будет одной и той же и поэтому все оптические лучи по мере их распространения по волокну и независимо от расположения сердцевины 134 внутри оболочки 132 будут в равной степени поглощаться в сердцевине. Тем самым обеспечивается оптимальная эффективность передачи излучения через оптическое волокно 130, определяемая соотношением A_серд/A_{многомод}. В отличие от этого оптимальную эффективность передачи излучения нельзя получить при использовании круглого волновода, поскольку в таком волноводе не все распространяющееся по нему излучение пересекает сердцевину. Оптимальная эффективность передачи излучения может быть достигнута только в том случае, когда внутри оптоволоконного волновода создается однородное поле излучения.

Для пояснения сущности изобретения можно использовать графическое изображение оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне 130. При этом рассмотрение всего процесса распространения излучения несколько упрощено с учетом того, что по внутренней оболочке 132 распространяется большое количество мод излучения (в частности более 1000 мод). Распространение поля излучения представлено в виде некогерентного совмещения классических оптических лучей. Однородное поле излучения можно изобразить в виде равномерно распределенных оптических лучей, лежащих в плоскости координат x-y, представляющей собой поперечное сечение оптического волокна 130.

В качестве примера рассмотрены первый оптический луч 142 и второй оптический луч 142', которые распространяются вдоль волокна 130 в направлении оси z, как показано на фиг. 6, многократно отражаясь при этом на границе внутренней оболочки 132. Каждый отраженный луч изображен в виде двумерной проекции его оптического пути на плоскости x-y поперечного сечения волокна. Поскольку оптические лучи различных мод излучения попадают на внутреннюю оболочку 132 в различных местах и под различными углами падения, то первый оптический луч 142 и второй оптический луч 142' отражаются от поверхности 132 под разными углами.

Так как поля, образованные лучами, равномерно распределены по всему поперечному сечению внутренней оболочки 132, то интегральные проекции x-y луча 142 или любого другого луча 142' стремятся равномерно перекрыть всю плоскость проекции. С физической точки зрения это означает, что оптический луч 142 по мере его распространения вдоль оптического волокна 130 обязательно должен пересечь сердцевину 134. Аналогично этому луч 142' также обязательно пересечет сердцевину 134, хотя совсем не обязательно, что это произойдет в местах пересечения сердцевины лучом 142.

Если на чертеже изобразить все последующие отражения любого распространяющегося луча, то внутренняя оболочка окажется полностью заштрихованной линиями, изображающими отраженные лучи. Невозможность графического изображения всей совокупности отраженных от оболочки лучей не позволяет, очевидно, на глаз судить об однородности поля излучения, создаваемого конкретной внутренней оболочкой. Чтобы изобразить последующие отражения лучей для заключения о равномерности создаваемого поля излучения, используется другой графический метод.

Специалистам в данной области технике хорошо известно, что реальную ломаную траекторию движения оптического луча, последовательно отражающегося от внутренней поверхности границ волновода, можно изобразить также в виде воображаемой прямой линии, пересекающей поверхности границ между последовательно расположенными рядом друг с другом "виртуальными" волноводами. Каждый следующий виртуальный волновод образован зеркальным отображением предыдущего волновода относительно общей для обоих волноводов границы.

На фиг. 7 показан волновод 110, который имеет правую поверхность 114, верхнюю поверхность 112 и нижнюю поверхность 116. Оптический луч 121 (т.е. проекция луча на плоскость x-y) распространяется вдоль волновода 110 по ломаной траектории, образованной рядом отрезков прямой, изображающих отраженные внутри волновода лучи. Первый отрезок 123 изображает первое отражение луча, возникающее при его отражении от верхней стенки 112. Угол отражения равен углу падения. Второй отрезок 125 изображает второе отражение луча, возникающее при его отражении под углом от правой стенки 114.

Распространяющийся по волноводу оптический луч 121 и изображающие его отражения отрезки прямой 123 и 125 можно также представить в виде прямой линии, состоящей из трех