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

 

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 Θ_c Угол Θ_c , измеряемый от нормали к границе сердцевины, определяется из соотношения sinΘ_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 α равен углу падения. Второй отрезок 125 изображает второе отражение луча, возникающее при его отражении под углом β 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 отрезков: луча 121, первого виртуального отраженного луча 123a и второго виртуального отраженного луча 125b. Луч 123a расположен в первом виртуальном волноводе 110a и соответствует первому отраженному лучу 123. Виртуальный волновод 110a построен путем зеркального отображения волновода 110 относительно их общей границы, которой является верхняя поверхность 112. Луч 123a также является зеркальным отражением луча 123 относительно общей границы волноводов. Угол отражения αʹ луча 123a равен углу отражения α луча 123.

Отраженный луч 123a падает на правую виртуальную поверхность 114a и образует во втором виртуальном волноводе 110b второй виртуальный отраженный луч 125b. Виртуальный волновод 110b представляет собой зеркальное отображение виртуального волновода 110a относительно его правой поверхности 114a, которая образует общую для этих волноводов границу. Луч 125b соответствует лучу 125 в волноводе 110, а угол βʹ его отражения равен углу отражения β луча 125. Таким способом осуществляется построение всей стальной траектории движения луча при его последующих отражениях в волноводе 110. В дальнейшем будут использованы оба способа изображения распространения оптического излучения, т.е. в виде и ломаной и прямой линии.

На фиг. 6 распространяющийся луч 142 изображен в виде ломаной линии. При этом луч отражается от внутренних поверхностей внутренней оболочки 132, образованных ее сторонами 152, 154, 156 и 158. Стороны 152 и 154 образуют вершину 162, стороны 154 и 156 образуют вершину 164, стороны 156 и 158 образуют вершину 166, а стороны 158 и 152 образуют вершину 168.

Внутри внутренней оболочки 132 оптическая траектория движения луча 142 показана в виде линий со стрелками, изображающих последовательные отражения луча. Луч 142, например, падает на сторону 152 многоугольника под углом φ к линии 144, перпендикулярной стороне 152. После первого отражения луч 142a образует с нормалью 144 угол φʹ , который равен углу φ . Первый отраженный луч 142a затем отражается от поверхности 154 и образует второй отраженный луч 142b. Аналогичным образом после отражения от сторон 156, 158 и 152 образуются соответственно третий 142c, четвертый 142d и пятый 142e отраженные лучи.

Нетрудно заметить, что поскольку четвертый отраженный луч 142d падает на сторону 152 в точке 152b, которая не совпадает с точкой 152a падения луча 142, то пятый отраженный луч 142e будет отражаться от стороны 152 не в той же точке, что первый отраженный луч 142a. Поскольку последовательно отражающиеся от внутренней оболочки лучи пересекают двумерную плоскость ее поперечного сечения в разных местах, то несмотря на то, что первый отраженный луч 142a не пересекается с сердцевиной 134, один из последующих отраженных лучей, в данном случае пятый отраженный луч 142e, обязательно 1 пересечет сердцевину 134. При такой геометрии поперечного сечения внутренней оболочки 132 сердцевина 134 будет пересекаться любым из распространяющихся по оптическому волокну 130 лучей.

В процессе многократного отражения от внутренней оболочки луч 142 образует внутри оболочки отраженные лучи, которые по мере распространения луча 142 по волокну полностью пересекают все поперечное сечение внутренней оболочки. Это объясняется тем, что в плоскости проекции последующие отражения луча не совпадают с его предыдущими отражениями. Иначе говоря, в плоскости проекции все последующие отражения "мигрируют" или смещаются относительно предыдущих отражений. Все то же самое можно сказать относительно распространения по волокну и луча 142', а также любого другого луча, вводимого в оптическое волокно 130. Все эти лучи в плоскости проекции будут располагаться в определенных местах и будут многократно пересекать сердцевину в различных точках по его длине.

Другой способ представления оптической траектории луча 142 с изображением его в виде прямой линии показан на фиг. 8. В рассматриваемом примере луч 142 и первый отраженный луч 142a изображены в виде двух прямых отрезков, образующих вместе прямую линию, пересекающую границу раздела между стороной 152 и стороной 152a соседнего виртуального многоугольника 140a. Угол падения φ и угол отражения φʹ показаны по разные стороны от поверхности отражения. Многоугольник 140а представляет собой зеркальное отображение многоугольника 140 относительно стороны 152. Поэтому стороны и вершины виртуального многоугольника 140a оказываются расположенными против сторон и вершин основного многоугольника.

Первый отраженный луч 142a падает на сторону 154a. При этом во втором виртуальном многоугольнике 140b образуется второй отраженный луч 142b, который лежит на прямой, образованной лучом 142 и первым отраженным лучом 142a. Многоугольник 140b построен путем зеркального отображения многоугольника 140a относительно стороны 154a. Стороны и вершины многоугольника 140b лежат против сторон и вершин многоугольника 140a и расположены симметрично им. Остальная часть траектории луча, представленная продолжением прямой линии, состоит из отрезка 142c, изображающего третий отраженный луч, проходящий через виртуальный многоугольник 140c, отрезка 142d, изображающего четвертый отраженный луч, проходящий через виртуальный многоугольник 140d, и отрезка 142e, изображающего пятый отраженный луч, проходящий через виртуальный многоугольник 140e. Показанная сетка из виртуальных многоугольников построена путем последовательных зеркальных отображений многоугольников относительно границ отражения, образованных последовательно сторонами 156b, 157c и 154d. Необходимо отметить, что многоугольник 140d можно также построить путем зеркального отображения многоугольника 140b относительно стороны 158b.

Каждый отрезок прямой, которым показан отраженный луч, например, отрезок 142a, проходящий через один из многоугольников, в частности через многоугольник 140a, изображает отраженный луч, проходящий внутри внутренней оболочки 132 по фиг. 6. При этом положение каждого из отраженных лучей (например, первого отраженного луча 142a) относительно внутренней оболочки 132 такое же, что и положение соответствующего ему луча в пределах многоугольника (т.е. луча 142a в многоугольнике 140a) в наборе многоугольников на фиг. 8. Аналогично тому, как в соседних многоугольниках отраженные лучи последовательно проходят через разные места многоугольника, так и последовательно отражающиеся от стенок внутренней оболочки 132 лучи проходят через разные участки ее поперечного сечения.

Поскольку геометрия предлагаемого многоугольника позволяет сформировать непрерывный и бесконечный ряд многоугольников без всяких "промежутков" или свободных участков между ними, то оптический луч может одинаково распространяться в любых направлениях, образуя неограниченное количество отраженных лучей. Как уже было отмечено выше, если все эти лучи изобразить на плоскости проекции фиг. 6, то вся плоскость окажется равномерно заштрихованной изображающими их линиями. Отрезки прямой, которыми в результате многократных отражений образована траектория распространения луча, имеют условно видимое в плоскости проекции равномерное пространственное распределение.

Следует заметить, что некоторые лучи могут распространяться по направлениям, параллельным сторонам многоугольника. Такие лучи будут образовывать "наложенные" друг на друга отраженные лучи, которые, очевидно, не будут мигрировать поперек плоскости проекции. Анализ таких лучей можно не проводить, поскольку их доля в общем потоке лучей, распространяющихся по оптическому волокну, незначительна. Существующие в настоящее время средства позволяют исключить передачу через волокно лучей, параллельных сторонам многоугольника.

Аналогичным образом можно изобразить и траекторию распространения второго луча 142', проникающего в оболочку через сторону 156 и падающего на сторону 154. Этот луч также движется внутри многоугольника, однако в отличие от луча 142 он проходит через многоугольники 140f, 140g и 140h. Отраженные лучи, образуемые лучом 142', также равномерно перекрывают плоскость проекции, однако рисунок, который они образуют на плоскости проекции, отличается от рисунка, образованного последовательностью лучей, возникающих при отражениях оптического луча 142.

Суммируя все вышесказанное, можно утверждать, что многомодовое оптическое излучение, распространяющееся по оптическому волокну 130 в виде большого количества оптических лучей, образует внутри волокна практически однородное поле излучения. Обусловлено это свойством выпуклого многоугольника, которым определяется форма поперечного сечения внутренней оболочки 132. В двухмерной проекции на плоскость, в которой лежит поперечное сечение внутренней оболочки 132, пространственное распределение поля, возникающего при отражениях каждого луча, будет носить равномерный характер.

Однородное поле излучения необходимо для того, чтобы все распространяющееся излучение могло поглощаться активным легирующим веществом сердцевины. При однородном поле каждая мода излучения периодически пересекает сердцевину и передает часть своей мощности ее активной добавке. Суммарная мощность, поглощаемая сердцевиной, зависит от длины волокна, используемого для передачи энергии, и от произведения концентрации активного вещества на длину волокна, которое можно регулировать известными способами, обеспечивая полное поглощение энергии сердцевиной при заданной длине волокна.

Каждый вид пространственного распределения лучей в волокне можно представить в виде прямолинейного оптического луча, проходящего на плоскости через бесконечно повторяющийся выпуклый многоугольник, определяющий форму поперечного сечения внутренней оболочки 132. Для каждого конкретного распространяющегося луча каждому отрезку прямой, изображающему во внутренней оболочке 132 отраженный луч, будет соответствовать один из отрезков прямой, расположенный внутри одного из повторяющихся многоугольников.

Оптический луч, изображенный в виде прямой линии, проходящей через бесконечный ряд одинаковых многоугольников, имеет равномерное пространственное распределение и состоит из последовательности отраженных лучей, ограниченных внутренней оболочкой волокна. При полном заполнении плоскости бесконечным рядом уложенных впритык друг к другу многоугольников все прямые линии, которыми изображены оптические лучи, проходят через бесконечный ряд состыкованных друг с другом многоугольников. Поэтому если расположенные на плоскости многоугольники будут плотно прилегать друг к другу, т.е. если между соседними многоугольниками не будет свободных промежутков, то при такой форме многоугольника или таком поперечном сечении внутренней оболочки поле, создаваемое внутри оболочки излучением, будет практически однородным.

Не все выпуклые многоугольники обладают тем свойством, что образованная их зеркальными отображениями сетка будет полностью закрывать плоскость. Не полностью прилегающие друг к другу многоугольники оставляют на плоскости свободные места. Поэтому не все прямые линии на всем своем протяжении будут проходить через сетку из таких многоугольников. Волновод с формой поперечного сечения в виде многоугольника, которым при его совмещении на плоскости с такими многоугольниками нельзя полностью перекрыть плоскость, не преобразует все поступающее в него излучение в однородное поле. Поэтому изобретение относится только к такому классу многоугольников, геометрические свойства которых удовлетворяют двум критериям.

Первый критерий, которому должно удовлетворять в предпочтительном варианте изобретения поперечное сечение или форма многоугольника, связан с необходимостью полного перекрытия плоскости сеткой, образованной повторяющимися зеркальными отображениями многоугольника. При соблюдении этого требования последовательно отражающийся от сторон многоугольника падающий луч при любом начальном направлении будет распространяться по волокну. Для этого необходимо, чтобы на плоскости между соседними многоугольниками не было "свободного пространства". Первый вывод, который можно сделать, исходя из этого требования, заключается в том, что из рассмотрения следует исключить все многоугольники с непрямыми сторонами или многоугольники с выпуклым углом при вершине. Иначе говоря, форма поперечного сечения внутренней оболочки должна иметь вид выпуклого многоугольника с тремя или более сторонами.

Второй вывод заключается в том, что произведение угла при любой вершине многоугольника на целое число должно быть равно 360^o.

Объясняется это в первую очередь тем, что соседние многоугольники имеют на плоскости общую точку. Так, например, все вершины 162, 162a, 162b, 162c, 162d и 162e встречаются в одной общей точке, обозначенной на фиг. 8 в решетке многоугольников точкой "A". Аналогично этому все вершины 166b, 166c и 166d встречаются в решетке в общей точке "B", а все вершины 168b, 168d, 168j и 168h, встречаются в общей точке "C". Кроме того, все углы при вершинах в любой общей точке равны друг другу. Поэтому при отсутствии свободных промежутков между многоугольниками сумма всех углов при вершинах многоугольника в общей точке равна 360^o. А это в свою очередь означает, что угол при вершине многоугольника должен быть таким, чтобы его произведение на целое число было равно 360^o. Из этого следует, что каждый из шести углов при вершине в общей точке A должен быть равен 60^o, каждый из трех углов при вершине в общей точке B должен быть равен 120^o, а каждый из четырех углов при вершине в общей точке C должен быть равен 90^o.

Для формулировки второго критерия можно рассмотреть общие точки для трех или более вершин рассматриваемых многоугольников. Расположенные вокруг общей точки многоугольники представляют собой группу из нескольких последовательных отражений одного и того же исходного многоугольника, который поворачивается относительно общей точки. Так, например, из трех многоугольников, расположенных вокруг общей точки B, два образованы сначала путем первого зеркального отражения многоугольника 140b относительно стороны 156b с образованием многоугольника 140c, а затем путем второго зеркального отражения относительно стороны 157c с образованием многоугольника 140d. После третьего зеркального отражения относительно стороны 158d отраженный многоугольник совмещается с исходным многоугольником 140b. В результате трех отражений исходного многоугольника 140b вокруг общей точки В исходный многоугольник 140b отражается сам на себя. Кроме того, количество отражений, необходимое для такого совпадения конечного отображения с исходным, равно количеству углов при вершинах, окружающих общую точку. В приведенном примере количество таких отображений равно трем, поскольку частное от деления 360^o на угол при вершине, равный 120^o, равно трем. Таким образом, вторым критерием необходимой формы многоугольника является то, что многоугольник должен отображаться сам на себя после нескольких, равных k_i зеркальных отображений вокруг вершины, угол которой равен 360^o, деленным на k_i.

Два рассмотренных выше критерия можно сформулировать в более общем виде, обратившись для этого к фиг. 9, на которой изображен N-сторонний выпуклый многоугольник 170. Многоугольник 170 имеет s_i сторон и V_i вершин, где 1≅i≅N. Кроме того, вершина V_i+1 образована сторонами s_i и s_i+1 Нетрудно заметить, что поскольку многоугольник 170 замкнут, то вершина V₁ образована сторонами s_N и s₁. Согласно первому критерию угол Θ_i каждой вершины V_i N-стороннего выпуклого многоугольника должен удовлетворять следующему условию:
Θ_i = 360^o/k_i, где k_i ≥ 3.
Углы вершин, которые удовлетворяют этому условию, равны частному от деления 360 ^o на целое число, т.е. 120^o, 90^o, 72^o, 60^o, 45^o и т.д.

Согласно второму критерию N-сторонний выпуклый многоугольник 170 должен обладать следующим свойством: после k_j отражений вокруг любой из вершин V_j он должен отображаться сам на себя. Эта серия отражений состоит из первого отражения относительно стороны s_j, второго отражения относительно стороны s_j+1, третьего отражения относительно стороны s_j и последующих отражений, выполняемых поочередно относительно сторон s_j+1 и s_j до тех пор, пока до конца не будет выполнено k_j отражений.

С учетом всего вышесказанного можно утверждать, что изобретение относится к семейству волноводов, поперечное сечение которых имеет форму выпуклого многоугольника, который удовлетворяет следующим требованиям: 1) при перекрытии плоскости укладываемыми впритык друг к другу одинаковыми многоугольниками многоугольники должны полностью перекрывать весь свободный участок плоскости, при этом многоугольники не должны накладываться друг на друга и на плоскости не должно оставаться свободных промежутков между соседними многоугольниками, и 2) любой из лежащих на плоскости многоугольников должен представлять собой зеркальное отображение другого лежащего на плоскости многоугольника относительно их любой общей стороны.

Изготовление предлагаемого в изобретении оптического кабеля осуществляется путем предварительного получения заготовки с требуемым поперечным сечением и ее последующего волочения любым известным способом.

Можно показать, что указанным выше двум критериям удовлетворяют по крайней мере восемь различных выпуклых многоугольников.

В предпочтительных вариантах внутренняя оболочка предлагаемой в настоящем изобретении двухоболочечной волоконной структуры имеет в сечении форму многоугольника с тремя, четырьмя или шестью сторонами. К многоугольникам с тремя сторонами относятся равносторонний треугольник 182,
показанный на фиг. 10А, равнобедренный прямоугольный треугольник 184,
показанный на фиг. 10Б, треугольник 186 с углами 30^o-60^o-90^o ,
показанный на фиг. 10В, и треугольник 188 с углами 30^o-30^o-120^o ,
показанный на фиг. 10Г.

К четырехсторонним многоугольникам относятся прямоугольник 192, показанный на фиг. 11А, квадрат 192', показанный на фиг. 11Б, ромб 194 с углом 60^o, показанный на фиг. 11В, и симметричный четырехугольник 196 с углами вершин, равными 60^o и 120^o, показанный на фиг. 11Г. К шестиугольным многоугольникам относится правильный шестиугольник 198, показанный на фиг. 12. Хотя прямоугольник 192 и удовлетворяет сформулированным выше критериям, тем не менее в формулу изобретения он не включен.

Конкретный вид поперечного сечения для конкретного варианта использования предлагаемого оптического волокна определяется рядом соображений и зависит в частности от физических характеристик волновода с конкретным поперечным сечением и от особенностей излучения, создаваемого источником накачки. Наиболее простым в изготовлении является, например, волновод с поперечным сечением в виде прямоугольника 192. Волновод с поперечным сечением в виде квадрата 192' можно изготовить более просто, чем волновод с поперечным сечением в виде шестиугольника 198, однако в последнем случае с круглой заготовки удаляется меньше материала. В других случаях, когда волноводы группируются друг с другом, оптимально использовать волноводы с треугольным поперечным сечением.

В обычных схемах для ввода в оптическое волокно 130 энергии накачки можно использовать лазерную диодную матрицу 210, как показано на фиг. 13. Излучение, выходящее из лазерной диодной матрицы 210, обычно преобразуется с помощью промежуточной оптической системы 220, формирующей из отдельных лазерных лучей 212 один выходной луч 232. В качестве оптической системы 220 можно использовать оптоволоконный лазер и геометрический соединитель, описанные в US 5268978 на имя Po и др. Оптическая система 220 выполняется таким образом, чтобы числовая апертура одиночного выходного луча 232 совпадала с числовой апертурой внутренней оболочки 132 на входном конце 131 оптического волокна 130. Как указывалось выше, числовая апертура входного конца (приемного торца) внутренней оболочки равна приблизительно 0,4.

Оптическая система 220 имеет коллиматор 222 пучка, ограничивающий распространение лучей 212 одним азимутальным направлением. После коллимирования лазерные лучи 212 попадают в волноводы 225. Каждый волновод 225 имеет центрирующее устройство 224 и размещается в непосредственной близости от лазерного луча 212 на выходе его из коллиматора 222. Выходные концы 227 волноводов 225 сгруппированы друг с другом и образуют пакет 226, форма которого определяет геометрию выходного луча. Уменьшающая линза 228, которую можно выполнить в виде одиночной линзы либо в виде более сложного устройства из нескольких элементов, уменьшает размеры сечения передающего излучение пучка 226 до размеров сечения, равных размерам или несколько меньших размеров поперечного сечения внутренней оболочки 132. В приведенном примере выходящий из пакета 226 волноводов луч имеет круглую форму. Поэтому наиболее предпочтительной формой поперечного cечения внутренней оболочки 132 является квадрат.

Для специалиста в данной области совершенно очевидной представляется возможность внесения в рассмотренные выше предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения различных изменений и усовершенствований, которые при этом не должны выходить за объем изобретения и не должны нарушать его основную идею в том ее виде, как она изложена в приложенной к описанию формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Оптоволоконная структура для усилителей излучения, содержащая по крайней мере одну сердцевину, селективно легированную активными усиливающими излучение частицами, и внутреннюю окружающую сердцевину оболочку, которая принимает энергию накачки и передает ее сердцевине в виде энергии накачки, распространяющейся по длине внутренней оболочки, форма поперечного сечения которой имеет вид непрямоугольного выпуклого многоугольника, обладающего свойством, которое заключается в том, что если для перекрытия плоскости используется множество укладываемых на нее впритык друг к другу многоугольников, то между любыми соседними из всех совмещаемых друг с другом многоугольников не должно оставаться свободных промежутков, при этом все эти многоугольники должны быть зеркальными отображениями друг друга относительно их любой общей стороны.

2. Оптоволоконная структура по п.1, в которой сердцевина представляет собой одномодовую сердцевину.

3. Оптоволоконная структура по п.1, в которой сердцевина содержит до 0,5 вес.% редкоземельной добавки.

4. Оптоволоконная структура по п.1, в которой первый угол при вершине многоугольника равен частному от деления 360^o на целое число.

5. Оптоволоконная структура по п.4, в которой первый угол при вершине равен приблизительно 120^o.

6. Оптоволоконная структура по п.5, в которой второй угол при вершине равен приблизительно 120^o.

7. Оптоволоконная структура по п.6, в которой многоугольник представляет собой правильный шестигранник.

8. Оптоволоконная структура по п.5, в которой второй угол при вершине равен приблизительно 60^o.

9. Оптоволоконная структура по п.8, в которой многоугольник представляет собой ромб.

10. Оптоволоконная структура по п.8, в которой многоугольник представляет собой симметричный четырехугольник.

11. Оптоволоконная структура по п.4, в которой первый угол при вершине равен приблизительно 90^o.

12. Оптоволоконная структура по п.11, в которой второй угол при вершине многоугольника равен приблизительно 90^o.

13. Оптоволоконная структура по п.11, в которой второй угол при вершине многоугольника равен приблизительно 60^o.

14. Оптоволоконная структура по п.13, в которой многоугольник представляет собой треугольник.

15. Оптоволоконная структура по п.4, в которой первый угол при вершине равен приблизительно 60^o.

16. Оптоволоконная структура по п.15, в которой второй угол при вершине многоугольника равен приблизительно 60^o.

17. Оптоволоконная структура по п.16, в которой многоугольник представляет собой треугольник.

18. Оптоволоконная структура по п.4, в которой первый угол при вершине равен приблизительно 45^o.

19. Оптоволоконная структура по п.18, в которой второй угол при вершине многоугольника равен приблизительно 90^o.

20. Оптоволоконная структура по п.19, в которой многоугольник представляет собой треугольник.

21. Оптоволоконная структура по п.19, в которой первый угол при вершине равен приблизительно 30^o.

22. Оптоволоконная структура по п.21, в которой второй угол при вершине многоугольника равен приблизительно 30^o.

23. Оптоволоконная структура по п.22, в которой многоугольник представляет собой треугольник.

24. Оптоволоконная структура по п.1, в которой предусмотрена внешняя оболочка, которая снаружи окружает внутреннюю оболочку.

25. Оптоволоконная структура по п.24, в которой внешняя оболочка изготовлена из фторированного полимера с низким показателем преломления.

26. Оптоволоконная структура по п.24, в которой показатель преломления внутренней оболочки больше показателя преломления внешней оболочки, при этом числовая апертура приемного торца внутренней оболочки равна приблизительно 0,4.

27. Оптоволоконная структура по п.1, в которой произведение концентрации активного вещества на длину центральной сердцевины регулируется так, что по длине сердцевины реализуется полный коэффициент усиления, от которого зависит эффективность передачи излучения оптоволоконной структурой.

28. Оптическая система усиления, содержащая источник излучения накачки, оптоволоконную структуру, которая содержит по крайней мере одну сердцевину, селективно легированную активными усиливающими излучение частицами, и внутреннюю окружающую сердцевину оболочку, которая принимает энергию накачки и передает ее сердцевине в виде энергии накачки, распространяющейся по длине внутренней оболочки, форма поперечного сечения которой имеет вид непрямоугольного выпуклого многоугольника, обладающего свойством, которое заключается в том, что если для перекрытия плоскости используется множество укладываемых на нее впритык друг к другу многоугольников, то между любыми соседними из всех совмещаемых друг с другом многоугольников не должно оставаться свободных промежутков, при этом все эти многоугольники должны быть зеркальными отображениями друг друга относительно их любой общей стороны, и устройство для проецирования излучения источника накачки на внутреннюю оболочку, которое расположено между оптоволоконной структурой и источником излучения накачки, и для преобразования создаваемого источником накачки излучения с целью согласования его числовой апертуры с оптическими характеристиками оптоволоконной структуры.

29. Оптическая система усиления, содержащая лазерную диодную матрицу, оптоволоконную структуру, содержащую по крайней мере одну сердцевину, селективно легированную активными усиливающими излучение частицами, и внутреннюю окружающую сердцевину оболочку, которая принимает энергию накачки и передает ее сердцевине в виде энергии накачки, распространяющейся по длине внутренней оболочки, форма поперечного сечения которой имеет вид непрямоугольного выпуклого многоугольника, обладающего свойством, которое заключается в том, что если для перекрытия плоскости используется множество укладываемых на нее впритык друг к другу многоугольников, то между любыми соседними из всех совмещаемых друг с другом многоугольников не должно оставаться свободных промежутков, при этом все эти многоугольники должны быть зеркальными отображениями друг друга относительно их любой общей стороны, оптический соединитель, расположенный между оптоволоконной структурой и лазерной диодной матрицей и преобразующий излучение, выходящее из лазерной диодной матрицы, в комбинированное выходное излучение, и устройство для проецирования комбинированного выходного излучения на внутреннюю оболочку, которое расположено между оптоволоконной структурой и лазерной диодной матрицей, и для преобразования выходного комбинированного излучения с целью согласования его числовой апертуры с оптическими характеристиками оптоволоконной структуры.

30. Оптоволоконная структура для усилителей, содержащая по крайней мере одну сердцевину, селективно легированную активными усиливающими излучение частицами, и внутреннюю окружающую сердцевину оболочку, которая принимает энергию накачки и передает ее сердцевине в виде энергии накачки, распространяющейся вдоль длины внутренней оболочки, которая в поперечном сечении имеет форму квадрата.

31. Оптическая система усиления, содержащая источник энергии накачки, оптоволоконную структуру, содержащую по крайней мере одну сердцевину, селективно легированную активными усиливающими излучение частицами, и внутреннюю окружающую сердцевину оболочку, которая принимает энергию накачки и передает ее сердцевине в виде энергии накачки, распространяющейся вдоль длины внутренней оболочки, которая в поперечном сечении имеет форму квадрата, и устройство для проецирования излучения источника накачки на внутреннюю оболочку, которое расположено между оптоволоконной структурой и источником излучения накачки, и для преобразования создаваемого источником накачки излучения с целью согласования его числовой апертуры с оптическими характеристиками оптоволоконной структуры.

32. Оптическая система усиления, содержащая лазерную диодную матрицу, оптоволоконную структуру, содержащую по крайней мере одну сердцевину, селективно легированную активными усиливающими излучение частицами, и внутреннюю окружающую сердцевину оболочку, которая принимает энергию накачки и передает ее сердцевине в виде энергии накачки, распространяющейся по длине внутренней оболочки, форма поперечного сечения которой имеет вид квадрата, оптический соединитель, расположенный между оптоволоконной структурой и лазерной диодной матрицей и преобразующий излучение, выходящее из лазерной диодной матрицы, в комбинированное выходное излучение, и устройство для проецирования комбинированного выходного излучения на внутреннюю оболочку, которое расположено между оптоволоконной структурой и лазерной диодной матрицей, и для преобразования выходного комбинированного излучения с целью согласования его числовой апертуры с оптическими характеристиками оптоволоконной структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13