Super

Apr 27, 2023

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 23759 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Superflache Superkontinua werden aus einem doppelt ummantelten Tm-dotierten Faserverstärker erzeugt. Es werden zwei unterschiedliche Laserkonfigurationen untersucht und verglichen. In der Direktausgangskonfiguration wird die langwellige Kante der Superkontinuumsspektren auf über 2,65 μm erweitert, mit einer 10-dB-Bandbreite von 740 nm. In der passiven Pigtail-Konfiguration weist das erzeugte Superkontinuum eine hervorragende Ebenheit mit einem Intensitätsunterschied von weniger als 1 dB im breiten zentralen Spektralbereich von 1,98 μm bis 2,41 μm auf.

Superkontinuum wird seit Jahrzehnten untersucht, da seine breitbandigen spektralen Eigenschaften enorme Potenziale in vielen wichtigen Forschungsbereichen und praktischen Anwendungen versprechen1,2,3. Bisher wurden viele verschiedene Superkontinuumsquellen mit unterschiedlichen Pumpquellen entwickelt, wie z. B. Yb-dotierte Faserlaser4,5 und Er-dotierte Faserlaser6,7,8,9, in verschiedenen Fasern, einschließlich herkömmlicher Singlemode-Fasern3,9, GeO2 Fasern10,11,12, hochgradig nichtlineare Fasern13,14, photonische Kristallfasern5,15,16 und ZBLAN-Fasern17,18,19,20,21.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass aktive Fasern, insbesondere Tm-dotierte Fasern, ein wirksames Medium für die Erzeugung eines Superkontinuums sind8,9,10,22,23,24. Und zusammen mit der schnellen Entwicklung von Tm-dotierten Faserlasern haben 2-μm-Laserquellen ihre unübertroffenen Vorteile als ideale Pumpe bei der Erzeugung von Superkontinuum im mittleren Infrarotbereich unter Beweis gestellt17,18,19,20,21. Da Tm-dotierte Fasern nicht nur als Verstärkungsmedium für eine 2-μm-Laserquelle, sondern auch als nichtlineares Medium für die Superkontinuumserzeugung verwendet werden könnten, wäre ein Superkontinuumsystem auf Tm-dotierter Faserbasis vorzuziehen. In Superkontinuumsystemen auf Tm-dotierter Faserbasis weist der Prozess der Superkontinuumserzeugung kompliziertere physikalische Mechanismen passiver Fasern auf, da die 3F4-3H6- und 3H4-3H5-Übergänge in Tm-Ionen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der spektralen Verbreiterung spielen8,22,23,24, 25.

Bereits 2007 berichteten S. Kivisto und seine Kollegen über die Superkontinuumserzeugung in Tm/Ho-kodotierten Faserverstärkern im Bereich von 1,95 μm bis 2,25 μm26. Im Jahr 2013 demonstrierte J. Liu eine Hochleistungs-Superkontinuumsquelle aus einem dreistufigen Tm-dotierten Faserverstärker, deren Spektralbereich auf über 2,4 μm27 erweitert wurde. Später, im Jahr 2014, erweiterte VV Dvoyrin die Langwellenseite auf 2,5 μm mit nur einem einstufigen Verstärker28. Allerdings ist in diesen Berichten die Ebenheit der erzeugten Superkontinua mit Intensitätsunterschieden von etwa 10 dB nicht zufriedenstellend.

In unseren früheren Arbeiten wurden gepulste 2-μm-Laserquellen gebaut29,30,31. In diesem Bericht wird unter Nutzung der selbst entwickelten 2-μm-Laserquelle als Keim zusammen mit einem 793-nm-LD als Pumpe ein Tm-dotierter Faserverstärker für die Superkontinuumserzeugung entwickelt. Außerdem werden zwei verschiedene Konfigurationen zur Superkontinuumserzeugung untersucht, nämlich die Direktausgangskonfiguration und die passive Pigtail-Konfiguration. Bei der Direktausgangskonfiguration wird die Laserleistung direkt am Ausgangsende der doppelt ummantelten Tm-dotierten Faser gemessen. Im Gegensatz dazu wird bei der Pigtail-Konfiguration ein Abschnitt einer passiven Faser am Ausgangsende der doppelt ummantelten Tm-dotierten Faser gespleißt. Und die Laserleistung wird am winkelgespaltenen Ausgangsende der passiven Faser aufgezeichnet. Superkontinuum wird in beiden Schemata beobachtet, jedoch mit unterschiedlichen Eigenschaften. In der Direktausgangskonfiguration erreicht die 3-dB-Bandbreite des erzeugten Superkontinuums etwa 600 nm, während in der Pigtail-Konfiguration ein superflaches Superkontinuum mit einem Intensitätsunterschied von nur 0,87 dB im breiten zentralen Spektralbereich von 1,98 erreicht wird μm bis 2,41 μm.

Im Lasersystem hat der verwendete gepulste 2-μm-Laserkeim eine maximale Ausgangsleistung von 1,1 W, wobei die Wiederholungsrate von 20 kHz bis 100 kHz einstellbar ist. Bei einer Wiederholungsrate von 20 kHz arbeitet der Seed im verstärkungsgeschalteten Modenkopplungsmodus29,30,31, wobei die verstärkungsgeschaltete Hüllkurve von 100 ns Dutzende von Unterimpulsen mit einer Dauer von etwa 8 ns enthält. Bei höheren Wiederholungsraten arbeitet der Seed im Gain-Switching-Modus mit einer Pulsdauer von etwa 50 ns. Die Verstärkungsfaser ist ein Abschnitt einer 7 m langen, doppelt ummantelten Tm-dotierten Faser (Nufern, 10P/130) mit einem Absorptionskoeffizienten von etwa 3 dB/m bei 793 nm. Der hexagonale Faserkern hat eine NA von 0,15 und einen Kerndurchmesser von 10 μm. Der Manteldurchmesser der Faser beträgt 130 µm.

Zunächst werden die Ausgangseigenschaften des doppelt ummantelten Tm-dotierten Faserverstärkers in der Direktausgangskonfiguration bei einer Wiederholungsrate von 60 kHz untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 1 dargestellt, wobei Abb. 1(a) das Laserspektrum und Abb. 1(b) die Ausgangsleistung darstellt.

Ausgangseigenschaften des doppelt ummantelten Tm-dotierten Faserverstärkers bei einer Wiederholungsrate von 60 kHz: (a) Ausgangsspektrum des Verstärkers; (b) Ausgangsleistung im Vergleich zur gestarteten Pumpleistung.

Der kurze Strich in Abb. 1 (a) zeigt das gemessene Spektrum des gepulsten 2-μm-Laserkeims nach der Ausbreitung durch die 7 m lange, doppelt ummantelte Tm-dotierte Faser. Und die gepunktete und die durchgezogene Linie stellen das verstärkte spontane Emissionsspektrum (ASE) der Tm-dotierten Faser bzw. das Ausgangsspektrum des Verstärkers bei 4 W 793 nm Pumpe dar. Wie festgestellt werden kann, liegt der Schwerpunkt des Seed-Spektrums bei etwa 1,95 μm mit einer 3-dB-Linienbreite von etwa 14 nm, das ASE-Zentrum liegt bei 2 μm mit einer 3-dB-Bandbreite von etwa 45 nm, während das Verstärkerspektrum die Kombination aus beiden darstellt. Es ist zu beachten, dass sowohl das Keimspektrum als auch das ASE-Spektrum vom 3F4-3H6-Übergang in Tm-Ionen stammen25. Der in Abb. 1(b) dargestellte Steigungswirkungsgrad des Verstärkers beträgt etwa 22,3 % bei einer maximalen Leistung von 2,8 W bei einer 12,5-W-Pumpe, was mit dem in Lit. vergleichbar ist. 32.

In der Pigtail-Konfiguration zeigt der Verstärker die gleichen Ausgangseigenschaften bei einer Wiederholrate von 60 kHz.

Durch Einstellen der Wiederholungsrate des 2-μm-Laserkeims auf 20 kHz wird im Tm-dotierten Faserverstärker in beiden Laserkonfigurationen auch ohne 793-nm-Pumpe ein Superkontinuum erzeugt, wie in Abb. 2 dargestellt. Abbildung 2(a) zeigt das Superkontinuum erzeugt vom Tm-dotierten Faserverstärker mit der Direktausgangskonfiguration, bei der sich am Ausgangsende der doppelt ummantelten Tm-dotierten Faser keine passive Faser befindet, während Abb. 2(b) das von der Tm-dotierten Faser erzeugte Superkontinuum zeigt Verstärker mit passiver Pigtail-Konfiguration, bei der ein Abschnitt einer 1 m langen passiven SMF28-Faser am Ausgangsende der doppelt ummantelten Tm-dotierten Faser gespleißt ist.

Superkontinuumserzeugung durch den Tm-dotierten Faserverstärker bei einer Wiederholungsrate von 20 kHz ohne 793-nm-Pumpleistung: (a) Direktausgangskonfiguration ohne passive Faser am Ausgangsende der Tm-dotierten Faser; (b) Pigtail-Konfiguration mit 1 m langer passiver Faser am Ausgangsende der Tm-dotierten Faser.

Weitere Superkontinua sind in Abb. 3 bei unterschiedlichen Pumpleistungen bei 793 nm aufgezeichnet. Abbildung 3(a) zeigt die Laserspektren, die in der Direktausgangskonfiguration bei verschiedenen Pumpleistungen von 793 nm gemessen wurden. Und die von der passiven Pigtail-Konfiguration gemessenen Laserspektren sind in Abb. 3(b) dargestellt.

Superkontinuumserzeugung aus dem Tm-dotierten Faserverstärker bei 20 kHz Wiederholungsrate mit unterschiedlichen 793-nm-Pumpleistungen: (a) Direktausgangskonfiguration; (b) Pigtail-Konfiguration.

Die bei maximaler Pumpleistung erzeugten Superkontinua sind in Abb. 4 dargestellt. Die Ausgangsleistungen des Tm-dotierten Faserverstärkers sind in Abb. 5 dargestellt.

Maximales Superkontinuum, das vom Tm-dotierten Faserverstärker bei einer Wiederholungsrate von 20 kHz mit einer 12,5-W-793-nm-Pumpe erzeugt wird: (a) Direktausgangskonfiguration; (b) Pigtail-Konfiguration.

Ausgangsleistung des Tm-dotierten Faserverstärkers bei einer Wiederholungsrate von 20 kHz: (a) Direktausgangskonfiguration; (b) Pigtail-Konfiguration.

Das Ausgangsspektrum in Abb. 1 (a) zeigt, dass das 2-μm-Lasersignal nicht effektiv verstärkt wird, da während des Verstärkungsprozesses ASE erzeugt wird.

Wie in Abb. 2 (a) zu sehen ist, charakterisiert das ohne passive Pigtail erzeugte Superkontinuum einen breitbandigen Superkontinuumsbereich mit langer Wellenlänge mit einer 3-dB-Bandbreite von etwa 430 nm, der einen breiten Wellenlängenbereich von 1,92 μm bis 2,35 μm abdeckt, und einem starken nicht absorbiertes 2-μm-Lasersignal, das etwa 6 dB höher ist als das langwellige Superkontinuum. Dieses Phänomen wird auch in den Referenzen 17, 18, 19, 20, 21 beobachtet. Anders als in Abb. 2(a) wird das 2-μm-Lasersignal in Abb. 2(b) bei der passiven Faser viel kleiner. Allerdings wird das Spektrum schmaler mit einer 3-dB-Bandbreite von etwa 200 nm mit einer Mitte um 2,1 μm. Dieser breite Spektralpeak um 2,1 μm ist auch in Abb. 2 (a) zu beobachten. Wir glauben, dass dies auf den 3H4-3H5-Übergang in Tm-Ionen zurückzuführen ist8,22,23,24.

Darüber hinaus verbreitern sich beide Spektren in Abb. 2 hauptsächlich zur langwelligen Seite hin, was sich deutlich von denen bei der 1,6 μm-gepumpten Superkontinuumserzeugung unterscheidet, bei der sich die erzeugten Superkontinua auf beiden Spektralseiten verbreitern6,7,24. Der Hauptgrund für die Entstehung des rotverschobenen Superkontinuums ist Modulationsinstabilität, die zur Solitonenspaltung und zur Solitonen-Eigenfrequenzverschiebung führt, die durch Raman-Streuung induziert wird9,18,19,24.

Ähnlich wie in Abb. 2 (a) bleibt das relativ starke 2-μm-Lasersignal in Abb. 3 (a) bei unterschiedlichen Pumpleistungen von 793 nm bestehen. Außerdem wird ein ASE-Signal bei etwa 2 μm beobachtet. Bei einer 4-W-Pumpe erweitert sich die 3-dB-Bandbreite des erzeugten Superkontinuums auf etwa 600 nm, während die 10-dB-Bandbreite 740 nm erreicht, wobei die Langwellenlänge bis über 2,6 μm reicht. In Abb. 3(b) ist zu sehen, dass das flache Superkontinuum bei einer 4-W-Pumpe mit 793 nm eine 3-dB-Bandbreite von 490 nm aufweist, was mehr als das Doppelte im Vergleich zu der ohne 793-nm-Pumpe in Abb. 2(b) ist. . Außerdem wird das 2-μm-Lasersignal durch die Ausbreitung in der passiven Faser nahezu eliminiert, was zur Ebenheit der erzeugten Superkontinuität beiträgt, die einen Intensitätsunterschied von nur 1,1 dB von 1,99 μm bis 2,40 μm aufweist, wie im Einschub von Abb. 3 dargestellt (B). Und es ist offensichtlich, dass der Intensitätsunterschied hauptsächlich durch das starke ASE-Signal um 2 μm verursacht wird.

Wie in Abb. 4(a) markiert, wird bei einer Pumpleistung von 12,5 W und 793 nm im Vergleich zum Spektrum bei einer Pumpleistung von 4 W und 793 nm die Bandbreite des Spektrums in der Direktausgangskonfiguration nicht weiter verbreitert, während das ASE-Signal erhalten wird stärker, was etwa 3 dB höher ist als das langwellige Superkontinuum. Im Gegensatz dazu wird in der passiven Pigtail-Konfiguration das Superkontinuum mit zunehmender Pumpleistung breiter, wie in Abb. 4 (b) dargestellt. Die 3-dB- und 10-dB-Bandbreiten der Superkontinua in passiver Pigtail-Konfiguration erreichen 540 nm bzw. 610 nm. Und der Intensitätsunterschied im zentralen Bereich des Superkontinuums zwischen 1,98 μm und 2,41 μm beträgt nur 0,87 dB, was hauptsächlich durch das starke ASE-Signal verursacht wird, wie im Einschub von Abb. 4(b) dargestellt, was die ausgezeichnete Ebenheit dieses Lasers zeigt System.

Wie in Abb. 5(a) dargestellt, beträgt die maximale Ausgangsleistung ohne Pigtail-Faser etwa 2,7 W mit einem Steigungswirkungsgrad von etwa 21,1 %, was dem bei 60 kHz in Abb. 1(b) sehr nahe kommt. Dies zeigt, dass die Ausgangsleistung hauptsächlich die Leistung des 2-μm-Lasersignals ist. Im Gegensatz dazu ist in der passiven Pigtail-Konfiguration die Ausgangsleistung des Tm-dotierten Faserverstärkers hauptsächlich die Leistung des Superkontinuums, da das 2-μm-Lasersignal durch die Ausbreitung in der passiven Faser nahezu eliminiert wird, wie in Abbildung 3(b) dargestellt. und 4(b). Allerdings ist die Ausgangsleistung des Superkontinuums viel geringer, wobei die maximale Leistung nur 400 mW beträgt, wie in Abb. 5(b) dargestellt.

Superflache Superkontinua werden von einem Tm-dotierten Faserverstärker erzeugt, obwohl die Verstärkung des Seeds bei Anwesenheit eines starken ASE-Signals nicht ideal ist. Vergleiche zwischen verschiedenen Pumpleistungen und Laserkonfigurationen werden diskutiert und analysiert. Im Vergleich zur passiven Pigtail-Konfiguration verfügt die Direktausgangskonfiguration über ein breiteres Laserspektrum, während die passive Pigtail-Konfiguration über ein viel flacheres Superkontinuum verfügt. Dieses Lasersystem wäre in breitbandigen Absorptionsspektroskopieanwendungen anwendbar. Allerdings ist die Leistung des erzeugten Superkontinuums noch relativ gering. Und eine weitere Verbesserung der Ausgangsleistung und Spektralerweiterung sollte in Betracht gezogen werden.

Der Versuchsaufbau des Tm-dotierten Faserverstärkers ist in Abb. 6 dargestellt. Die gepulste 2-μm-Laserquelle folgt einem ähnlichen Schema wie in Lit. beschrieben. 25. Die 2-μm-Laserquelle und die Pumpquelle eines 793-nm-LD werden über einen Pumpkombinierer (PC) in einen Abschnitt einer 7 m langen, doppelt ummantelten Tm-dotierten Faser (Nufern, 10P/130) eingekoppelt.

Schematische Darstellung des Tm-dotierten Faserverstärkers.

Die Laserspektren werden mit einem Andor Shamrock 750 Spektrumanalysator aufgezeichnet. Es ist zu beachten, dass die Auflösung des Spektrumanalysators etwa 2 nm beträgt, bestimmt durch das Gitter und die Schrittlänge. Und ein thermoelektrisch gekühlter schneller HgCdTe-Detektor und ein 4-GHz-Oszilloskop (Tektronix TDS 7404) werden zur Überwachung der Laserimpulse genutzt.

Zitierweise für diesen Artikel: Tao, M. et al. Superflache Superkontinuumserzeugung aus einem Tm-dotierten Faserverstärker. Wissenschaft. Rep. 6, 23759; doi: 10.1038/srep23759 (2016).

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Diese Arbeit wird teilweise vom State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter (SKLLIM) unter den Zuschussnummern SKLLIM1409 und SKLLIM1503 und dem Hundred Talents Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt. Die Autoren danken auch Yongsheng Zhang vom SKLLIM für seine Hinweise zur Manuskripterstellung.

Staatliches Schlüssellabor für Laserinteraktion mit Materie, Northwest Institute of Nuclear Technology, 710024, Xi'an, VR China

Mengmeng Tao, Zhenbao Wang, Hongwei Chen, Yanlong Shen und Guobin Feng

Forschungszentrum für Weltraum-Laser-Informationstechnologie, Shanghai-Institut für Optik und Feinmechanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, 201800, Shanghai, VR China

Ting Yu & Xisheng Ye

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GF und XY haben das Projekt konzipiert; die Experimente wurden von MT, TY und ZW entworfen; die gepulste 2-μm-Laserquelle wurde von MT gebaut; HC und YS haben die Spektren der Laserleistung gemessen. Alle Autoren trugen zur Interpretation der Ergebnisse und zur Erstellung des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Mengmeng Tao oder Xisheng Ye.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Tao, M., Yu, T., Wang, Z. et al. Superflache Superkontinuumserzeugung aus einem Tm-dotierten Faserverstärker. Sci Rep 6, 23759 (2016). https://doi.org/10.1038/srep23759

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Eingegangen: 3. Dezember 2015

Angenommen: 14. März 2016

Veröffentlicht: 29. März 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep23759

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