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May 19, 2023

Informes científicos volumen 6, Número de artículo: 23759 (2016) Citar este artículo

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Los supercontinuos súper planos se generan a partir de un amplificador de fibra dopado con Tm de doble revestimiento. Se investigan y comparan dos configuraciones de láser diferentes. En la configuración de salida directa, el borde de longitud de onda larga del espectro supercontinuo se extiende más allá de 2,65 μm con un ancho de banda de 10 dB de 740 nm. En la configuración de coleta pasiva, el supercontinuo generado presenta una excelente planitud con una diferencia de intensidad inferior a 1 dB en el amplio rango espectral central de 1,98 μm a 2,41 μm.

El supercontinuo se ha estudiado durante décadas, ya que sus características espectrales de banda ancha prometen un enorme potencial en muchos campos de investigación importantes y aplicaciones prácticas1,2,3. Hasta ahora, se han desarrollado muchas fuentes supercontinuas diferentes con diferentes fuentes de bombeo, como láseres de fibra dopados con Yb4,5 y láseres de fibra dopados con Er6,7,8,9, en varias fibras, incluidas las fibras monomodo convencionales3,9, GeO2 fibras10,11,12, fibras altamente no lineales13,14, fibras de cristal fotónico5,15,16 y fibras ZBLAN17,18,19,20,21.

Además, también se ha descubierto que las fibras activas, especialmente las fibras dopadas con Tm, son un medio eficaz para la generación de supercontinuos8,9,10,22,23,24. Y, junto con el rápido desarrollo de los láseres de fibra dopados con Tm, las fuentes de láser de 2 μm han demostrado sus inigualables ventajas como bomba ideal en la generación de supercontinuos en el infrarrojo medio17,18,19,20,21. Dado que la fibra dopada con Tm podría usarse no solo como medio de ganancia para una fuente láser de 2 μm, sino también como medio no lineal para la generación de supercontinuum, sería preferible un sistema de supercontinuum basado en fibra dopada con Tm. En los sistemas supercontinuos basados ​​en fibra dopada con Tm, el proceso de generación del supercontinuo exhibe mecanismos físicos más complicados a partir de fibras pasivas, ya que las transiciones 3F4-3H6 y 3H4-3H5 en los iones Tm también juegan un papel importante en la ampliación espectral8,22,23,24, 25

Ya en 2007, S. Kivisto y sus colegas informaron sobre la generación de supercontinuo en amplificadores de fibra codopados Tm/Ho que abarcan desde 1,95 μm hasta 2,25 μm26. En 2013, J. Liu demostró una fuente supercontinua de alta potencia a partir de un amplificador de fibra dopado con Tm de tres etapas, y el rango espectral se amplía más allá de 2,4 μm27. Posteriormente, en 2014, VV Dvoyrin amplió el lado de longitud de onda larga a 2,5 μm con solo un amplificador de una etapa28. Sin embargo, en estos informes, la planitud de la supercontinua generada no es satisfactoria con diferencias de intensidad de alrededor de 10 dB.

En nuestros trabajos anteriores, se construyeron fuentes láser pulsadas de 2 μm29,30,31. En este informe, aprovechando la fuente de láser de 2 μm de desarrollo propio como semilla, junto con un LD de 793 nm como bomba, se desarrolla un amplificador de fibra dopado con Tm para la generación supercontinua. Y se investigan dos configuraciones diferentes de generación de supercontinuo, a saber, la configuración de salida directa y la configuración de cola de cerdo pasiva. En la configuración de salida directa, la salida del láser se mide directamente en el extremo de salida de la fibra dopada con Tm de doble revestimiento. De manera diferente, en la configuración de coleta, una sección de fibra pasiva se empalma en el extremo de salida de la fibra dopada con Tm de doble revestimiento. Y, la salida del láser se registra en el extremo de salida cortado en ángulo de la fibra pasiva. Se observa supercontinuum en ambos esquemas, pero con características diferentes. En la configuración de salida directa, el ancho de banda de 3 dB del supercontinuo generado alcanza unos 600 nm, mientras que, en la configuración en espiral, se logra un supercontinuo súper plano con una diferencia de intensidad de solo 0,87 dB en el amplio rango espectral central de 1,98 μm a 2,41 μm.

En el sistema láser, la semilla láser pulsada de 2 μm explotada tiene una potencia de salida máxima de 1,1 W con una tasa de repetición ajustable de 20 kHz a 100 kHz. A una tasa de repetición de 20 kHz, la semilla opera en el modo de bloqueo de modo de conmutación de ganancia29,30,31 donde la envolvente de conmutación de ganancia de 100 ns contiene decenas de subpulsos con duraciones de aproximadamente 8 ns. A tasas de repetición más altas, la semilla funciona en el modo de conmutación de ganancia con una duración de pulso de aproximadamente 50 ns. La fibra de amplificación es una sección de fibra dopada con Tm de doble revestimiento de 7 m de largo (Nufern, 10P/130) con un coeficiente de absorción de aproximadamente 3 dB/m a 793 nm. El núcleo de fibra hexagonal tiene una NA de 0,15 y un diámetro de núcleo de 10 μm. El diámetro de revestimiento de la fibra es de 130 μm.

En primer lugar, se investigan las características de salida del amplificador de fibra dopado con Tm de doble revestimiento en la configuración de salida directa a una frecuencia de repetición de 60 kHz. Y, los resultados se dan en la Fig. 1 con la Fig. 1 (a) que presenta el espectro del láser y la Fig. 1 (b) que representa la potencia de salida.

Características de salida del amplificador de fibra dopada con Tm de doble revestimiento a una tasa de repetición de 60 kHz: (a) espectro de salida del amplificador; (b) potencia de salida frente a la potencia de la bomba lanzada.

La línea discontinua corta en la Fig. 1 (a) muestra el espectro medido de la semilla láser pulsada de 2 μm después de la propagación a través de la fibra dopada con Tm de doble revestimiento de 7 m de largo. Y, la línea punteada y continua representan el espectro de emisión espontánea amplificada (ASE) de la fibra dopada con Tm y el espectro de salida del amplificador con una bomba de 4 W 793 nm, respectivamente. Como se puede encontrar, el espectro semilla se centra alrededor de 1,95 μm con un ancho de línea de 3 dB de aproximadamente 14 nm, el ASE se centra en 2 μm con un ancho de banda de 3 dB de aproximadamente 45 nm, mientras que el espectro del amplificador es la combinación de los dos. Cabe señalar que tanto el espectro semilla como el espectro ASE provienen de la transición 3F4-3H6 en los iones Tm25. La eficiencia de pendiente del amplificador, que se muestra en la Fig. 1 (b), es de aproximadamente 22,3% con una salida máxima de 2,8 W a una bomba de 12,5 W, que es comparable con la de la ref. 32.

En la configuración de coleta, el amplificador muestra las mismas características de salida a una tasa de repetición de 60 kHz.

Sintonizando la tasa de repetición de la semilla láser de 2 μm a 20 kHz, se genera un supercontinuo en el amplificador de fibra dopado con Tm en ambas configuraciones de láser, incluso sin una bomba de 793 nm, como se ilustra en la figura 2. La figura 2(a) presenta el supercontinuo generado a partir del amplificador de fibra dopada con Tm con la configuración de salida directa donde no hay fibra pasiva en el extremo de salida de la fibra dopada con Tm de doble revestimiento, mientras que la Fig. 2(b) muestra el supercontinuo generado a partir de la fibra dopada con Tm Amplificador con la configuración de coleta pasiva donde una sección de fibra pasiva SMF28 de 1 m de largo se empalma en el extremo de salida de la fibra dopada con Tm de doble revestimiento.

Generación supercontinua del amplificador de fibra dopada con Tm a una tasa de repetición de 20 kHz sin potencia de bombeo de 793 nm: (a) configuración de salida directa sin fibra pasiva en el extremo de salida de la fibra dopada con Tm; (b) configuración de coleta con fibra pasiva de 1 m de largo en el extremo de salida de la fibra dopada con Tm.

Más supercontinua se registran en la Fig. 3 a diferentes potencias de bombeo de 793 nm. La Figura 3(a) proporciona los espectros láser medidos en la configuración de salida directa a diferentes potencias de bombeo de 793 nm. Y, los espectros láser medidos a partir de la configuración de cola de cerdo pasiva se representan en la Fig. 3 (b).

Generación supercontinua a partir del amplificador de fibra dopada con Tm a una tasa de repetición de 20 kHz con diferentes potencias de bombeo de 793 nm: (a) configuración de salida directa; (b) configuración de cola de cerdo.

La supercontinua generada a la máxima potencia de bombeo se muestra en la Fig. 4. Y las potencias de salida del amplificador de fibra dopado con Tm se presentan en la Fig. 5.

Supercontinuo máximo generado a partir del amplificador de fibra dopada con Tm a una frecuencia de repetición de 20 kHz con una bomba de 12,5 W y 793 nm: (a) configuración de salida directa; (b) configuración de cola de cerdo.

Potencia de salida del amplificador de fibra dopada con Tm a una tasa de repetición de 20 kHz: (a) configuración de salida directa; (b) configuración de cola de cerdo.

El espectro de salida en la Fig. 1 (a) demuestra que la señal láser de 2 μm no se amplifica de manera efectiva ya que se genera ASE durante el proceso de amplificación.

Como se puede encontrar en la Fig. 2 (a), el supercontinuo generado sin coleta pasiva caracteriza una región de supercontinuo de longitud de onda larga de banda ancha con un ancho de banda de 3 dB de aproximadamente 430 nm que cubre un amplio rango de longitud de onda de 1.92 μm a 2.35 μm y un fuerte señal láser no absorbida de 2 μm que es aproximadamente 6 dB más alta que el supercontinuo de longitud de onda larga. Este fenómeno también se observa en las referencias 17, 18, 19, 20, 21. A diferencia de la Fig. 2 (a), con la fibra pasiva, la señal láser de 2 μm en la Fig. 2 (b) se vuelve mucho más pequeña. Sin embargo, el espectro se vuelve más estrecho con un ancho de banda de 3 dB de aproximadamente 200 nm centrado alrededor de 2,1 μm. Este amplio pico espectral de alrededor de 2,1 μm también se observa en la Fig. 2 (a). Creemos que esto debe atribuirse a la transición 3H4-3H5 en los iones Tm8,22,23,24.

Además, ambos espectros en la Fig. 2 se ensanchan principalmente hacia el lado de longitud de onda larga, que es bastante diferente de los de la generación de supercontinuo bombeado de 1,6 μm, donde el supercontinuo generado se ensancha en ambos lados espectrales6,7,24. La razón principal de la generación del supercontinuo desplazado hacia el rojo es la inestabilidad de la modulación que conduce a la fisión de solitones y al desplazamiento de la frecuencia propia de los solitones inducidos por la dispersión Raman9,18,19,24.

Similar a la de la Fig. 2 (a), la señal láser relativamente fuerte de 2 μm permanece a diferentes potencias de bombeo de 793 nm en la Fig. 3 (a). Además, la señal ASE se observa alrededor de 2 μm. Con un bombeo de 4 W, el ancho de banda de 3 dB del supercontinuo generado se amplía a unos 600 nm, mientras que el ancho de banda de 10 dB alcanza los 740 nm y la longitud de onda larga se extiende más allá de los 2,6 μm. En la Fig. 3(b) se puede encontrar que, con una bomba de 4 W y 793 nm, el supercontinuo plano demuestra un ancho de banda de 3 dB de 490 nm, más del doble en comparación con el que no tiene una bomba de 793 nm en la Fig. 2(b) . Además, la señal láser de 2 μm casi se elimina a través de la propagación en la fibra pasiva, lo que contribuye a la planitud del supercontinua generado que muestra una diferencia de intensidad de solo 1,1 dB desde 1,99 μm hasta 2,40 μm, como se muestra en el recuadro de la Fig. 3 (b). Y es obvio que la diferencia de intensidad es causada principalmente por la fuerte señal ASE alrededor de 2 μm.

Como se indica en la Fig. 4(a), a una bomba de 12,5 W 793 nm, en comparación con el espectro a una potencia de bomba de 4 W 793 nm, el ancho de banda del espectro en la configuración de salida directa no se amplía más, mientras que la señal ASE se vuelve más fuerte, que es aproximadamente 3 dB más alto que el supercontinuo de longitud de onda larga. Por el contrario, en la configuración de cola de cerdo pasiva, el supercontinuo se ensancha con el aumento de la potencia de la bomba, como se muestra en la Fig. 4(b). Los anchos de banda de 3 dB y 10 dB del supercontinua en configuración de coleta pasiva alcanzan los 540 nm y 610 nm, respectivamente. Y, la diferencia de intensidad de la región central del supercontinuo entre 1,98 μm y 2,41 μm es de solo 0,87 dB, lo que se debe principalmente a la fuerte señal ASE, como se muestra en el recuadro de la Fig. 4(b), lo que demuestra la excelente planitud de este láser. sistema.

Como se muestra en la Fig. 5(a), cuando no hay fibra pigtail, la potencia de salida máxima es de aproximadamente 2,7 W con una eficiencia de pendiente de aproximadamente el 21,1%, que es muy cercana a la de 60 kHz en la Fig. 1(b). demostrando que la potencia de salida es principalmente la potencia de la señal láser de 2 μm. De manera diferente, en la configuración de coleta pasiva, la potencia de salida del amplificador de fibra dopada con Tm es principalmente la potencia del supercontinuo ya que la señal láser de 2 μm casi se elimina a través de la propagación en la fibra pasiva, como se muestra en las Figs. 3 (b) y 4(b). Sin embargo, la potencia de salida del supercontinuo es mucho menor con una salida máxima de solo 400 mW, como se muestra en la Fig. 5(b).

Los supercontinuos súper planos se generan a partir de un amplificador de fibra dopado con Tm, aunque la amplificación de la semilla no es ideal con la presencia de una señal ASE fuerte. Se discuten y analizan las comparaciones entre diferentes potencias de bomba y configuraciones de láser. En comparación con la configuración pasiva en espiral, la configuración de salida directa disfruta de un espectro láser más amplio, mientras que la configuración pasiva en espiral cuenta con un supercontinuo mucho más plano. Este sistema láser sería aplicable en aplicaciones de espectroscopia de absorción de banda ancha. Sin embargo, la potencia del supercontinuo generado es aún relativamente baja. Y se debe considerar una mayor mejora en la potencia de salida y la extensión espectral.

La configuración experimental del amplificador de fibra dopada con Tm se muestra en la Fig. 6. La fuente de láser pulsada de 2 μm adopta un esquema similar al descrito en la ref. 25. La fuente láser de 2 μm y la fuente de bomba de un LD de 793 nm se acoplan en una sección de fibra dopada con Tm de doble revestimiento de 7 m de largo (Nufern, 10P/130) a través de un combinador de bomba (PC).

Diagrama esquemático del amplificador de fibra dopado con Tm.

Los espectros láser se registran con un analizador de espectro Andor Shamrock 750. Cabe señalar que la resolución del analizador de espectro es de aproximadamente 2 nm determinada por la rejilla y la longitud del paso. Y, un detector HgCdTe rápido enfriado termoeléctricamente y un osciloscopio de 4 GHz (Tektronix TDS 7404) se aprovechan para monitorear los pulsos láser.

Cómo citar este artículo: Tao, M. et al. Generación de supercontinuo superplano a partir de un amplificador de fibra dopado con Tm. ciencia Rep. 6, 23759; doi: 10.1038/srep23759 (2016).

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Este trabajo cuenta con el apoyo parcial del Laboratorio Estatal Clave de Interacción Láser con la Materia (SKLLIM) bajo la Subvención No. SKLLIM1409 y SKLLIM1503 y el Programa de Cien Talentos de la Academia de Ciencias de China. Los autores también agradecen a Yongsheng Zhang de SKLLIM por sus instrucciones sobre la preparación del manuscrito.

Laboratorio estatal clave de interacción láser con la materia, Instituto de Tecnología Nuclear del Noroeste, 710024, Xi'an, República Popular China

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

Centro de Investigación de Tecnología de Información de Láser Espacial, Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái, Academia de Ciencias de China, 201800, Shanghái, República Popular China

Ting Yu y Xisheng Ye

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GF y XY concibieron el proyecto; los experimentos fueron diseñados por MT, TY y ZW; la fuente de láser pulsado de 2 μm fue construida por MT; HC e YS midieron los espectros de la salida del láser. Todos los autores contribuyeron a la interpretación de los resultados y la preparación del manuscrito.

Correspondencia a Mengmeng Tao o Xisheng Ye.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Tao, M., Yu, T., Wang, Z. et al. Generación de supercontinuo superplano a partir de un amplificador de fibra dopado con Tm. Informe científico 6, 23759 (2016). https://doi.org/10.1038/srep23759

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Recibido: 03 Diciembre 2015

Aceptado: 14 de marzo de 2016

Publicado: 29 de marzo de 2016

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

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