Повышение стабильности волоконного лазера, легированного эрбием, с насыщающимся поглотителем, полученным с помощью импульсного лазерного осаждения

Аннотация

В данной статье описаны эффективность и стабильность волоконного лазера, легированного эрбием, с насыщающимся поглотителем (НП) на основе ZnO (оксид цинка), полученным из раствора или с помощью импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Было выявлено, что волоконный лазер, легированный эрбием, с НП на основе ZnO, полученным из раствора, генерирует излучение на 1561,25 нм при мощности накачки 230 МВт. По мере увеличения мощности накачки от 22,2 МВт до 75,3 МВт длительность импульса уменьшается с 24,91 до 10,69 мкс, а частота повторения импульсов увеличивается с 11,59 до 40,91 кГц. Однако, когда насыщающийся поглотитель, полученный с помощью ИЛО, был встроен в кольцевой резонатор, излучение было сгенерировано на 1568,21 нм при мощности накачки 230 МВт. Была также исследована стабильность волоконного лазера, легированного эрбием, с НП, полученным из раствора или с помощью ИЛО.

Насколько известно, это первое сравнение эффективности и долгосрочной стабильности данного устройства. Результаты свидетельствуют о том, что НП, полученные с помощью ИЛО, обеспечивают оптимальную стабильность в течение длительного периода и повышает эффективность волоконных лазеров по сравнению с НП, полученными традиционным способом из раствора.

Введение

Для формирования импульсов в лазерах в резонатор вводится НП, который модулирует оптические потери, в основном применяемые для модуляции добротности и синхронизации мод лазеров. Следовательно, НП является ключевым компонентом для получения сверхкоротких лазерных импульсов. Различные НП, такие как углеродные нанотрубки, графен, оксидные пленки, полупроводниковые зеркала с насыщающимся поглощением и топологические изоляторы, были введены в волоконные лазеры и резонаторы для генерации импульсов с пассивной синхронизацией мод.

Было предложено и продемонстрировано множество экспериментальных методов, таких как осаждение наночастиц на волоконный наконечник, метод получения из раствора и метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО), для получения НП с целью введения в лазерные резонаторы для модуляции добротности и синхронизации мод оптических импульсов лазера. Однако НП, полученные с помощью традиционных методов, в частности из раствора и на основе наночастиц, крайне нестабильны и их трудно встроить внутри лазерного резонатора из-за чувствительности к окружающей среде и низкого порога повреждения. В более ранних исследованиях сообщалось о низкой стабильности волоконного лазера, легированного эрбием, а выходная мощность оптического излучения измерялась в течение 30-60 минут. Низкая стабильность ограничивает практическое применение импульсных волоконных лазеров в областях, где требуется непрерывность и стабильность импульсов в течение длительного времени. Чтобы решить эту проблему, сначала была проанализирована стабильность волоконного лазера, легированного эрбием, с точки зрения амплитуды напряжения между пиками (V_P-P) при непрерывном импульсном выходном сигнале в течение 5 часов. 

В данной статье сравнивается эффективность и стабильность волоконного лазера, легированного эрбием, с НП на основе ZnO, полученным из раствора или с помощью ИЛО, с модуляцией добротности. Был выбран метод, обеспечивающий наилучшую эффективность, оптимальную стабильность и высокий порог повреждения. Данное исследование показывает, что волоконный лазер, легированный эрбием, на основе НП, полученного с помощью ИЛО, имеет наименьшую длительность импульса, более высокую частоту повторения и высокую среднюю выходную мощность по сравнению с НП, полученным из раствора. Кроме того, предполагается, что НП, полученный с помощью ИЛО, обеспечивает высокий порог повреждения и сверхстабильную импульсного выходного сигнала в течение длительного времени.

Изготовление и характеристика волоконного лазера, легированного эрбием, с модуляцией добротности

Получение НП на основе ZnO с помощью импульсного лазерного осаждения

В ходе исследования тонкая пленка на основе ZnO наносилась непосредственно на волоконный наконечник с помощью ИЛО. Взаимодействие между лазером и мишенью определяло процесс осаждения. Высокоэнергетический лазерный луч фокусировался на материале-мишени внутри камеры для ИЛО. Когда лазерный луч попадал на мишень, образовывался видимый плазменный шлейф, расширявшийся в окружающей среде по принципу термодинамики и осаждался на подложке в одной или нескольких кристаллографических ориентациях. Лазерная абляция являлась наиболее важной частью этого метода, поскольку поддерживала стехиометрию материала мишени. При удержании мишени и подложки в относительно неподвижном состоянии образовывалась неоднородная пленка, распространявшаяся перпендикулярно подложке. Однако, чтобы получить однородную тонкую пленку, и мишень, и подложку поворачивали в противоположных направлениях относительно друг друга.

В данном исследовании четвертая гармоника Nd:YAG-лазера 266 нм использовалась для абляции мишени на основе ZnO. Лазерный луч мощностью 10 МДж фокусировался на мишени внутри камеры для ИЛО, и мишень (ZnO) непрерывно вращалась, чтобы избежать образования кратера. Волоконный наконечник был установлен перед мишенью на расстоянии 3 см. Осаждение осуществлялось со скоростью 0,05 нм/с, а толщина пленки контролировалась с помощью кварцевых микровесов (КМ), которые уже были проверены и откалиброваны с помощью визуализации поперечного сечения путем сканирующей электронной микроскопии. На рисунках 1a и 1b показаны, соответственно, волоконный наконечник без нанесения тонкой пленки и волоконный наконечник с тонкой пленкой на основе ZnO, нанесенной с помощью ИЛО. Эти изображения были записаны с помощью цифрового микроскопа (Inskam).

Рисунок 1. Волоконный наконечник (а) без тонкой пленки и (б) с тонкой пленкой на основе ZnO, нанесенной с помощью ИЛО

Получение тонкой пленки на основе ZnO из раствора

Чтобы ввести НП на основе тонкой пленки ZnO в лазерный резонатор, наночастицы ZnO были встроены в тонкую пленку на основе полимера. Были использованы наночастицы ZnO от Sigma-Aldrich (США), диапазон размера частиц составил  ≤ 50 нм. Сначала поливиниловый спирт (ПВС) в качестве основного полимера получили путем добавления 1 г порошка ПВС в 100 мл дистиллированной воды. Чтобы полностью растворить ПВС в дистиллированной воде, смесь перемешивали с помощью магнитной мешалки при температуре 25°C. После этого к 20 мл растворенной суспензии ПВС добавили 10 мг наночастиц ZnO. Наконец, раствор ZnO-ПВС вылили в чашку Петри и оставили на сутки при температуре окружающей среды для формирования тонкой пленки, которая будет использоваться в качестве пассивного НП. Затем небольшой участок пленки был вырезан и далее нанесен на поверхность волоконного наконечника. 

Рисунок 2. Процесс получения тонкой пленки ZnO-ПВС из раствора

Характеристика НП на основе ZnO

Спектр фотолюминесценции (ФЛ) нанесенной тонкой пленки ZnO при комнатной температуре показан на рисунке 3а. В качестве источника возбуждения фотолюминесценции использовался луч азотного лазера (NL100) 337 нм с энергией импульса 170 мкДж и длительностью импульса 3,5 нс. Пик на 390 нм согласовывается со свободной рекомбинацией экситонов или экситон-экситонными столкновениями, называемыми близкраевой ультрафиолетовой ФЛ.

Рисунок 3. (а) ФЛ и (б) рамановские спектры тонкой пленки ZnO

Рамановская спектроскопия нанесенной тонкой пленки ZnO проводилась с использованием системы Ava Raman с лазером 532 нм с максимальной мощностью 50 МВт. Энергодисперсионные рентгеновские спектры тонкой пленки ZnO показаны на рисунке 4. Основные элементы и состав в процентном соотношении тонкой пленки ZnO приведены на рисунке 4b. Анализ морфологии поверхности тонкой пленки ZnO проводился с помощью полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии. На микрофотографии видно, что нанесенная тонкая пленка в целом имеет гладкий и сплошной характер, как показано на рисунке 4с. Результаты измерений показывают, что тонкая пленка ZnO обладает высокой чистотой, включая цинк — 84,84 мас.% и кислород — 15,16 мас.%.

Рисунок 4. (а) Энергодисперсионный рентгеновский спектр тонкой пленки ZnO (b) Состав в процентном соотношении тонкой пленки ZnO (c) микрофотография поверхности тонкой пленки ZnO

Экспериментальная установка

На рисунке 5 показана схема установки волоконного лазера, легированного эрбием, с модуляцией добротности, используемой в настоящем исследовании. В качестве источника накачки использовался одномодовый диодный лазер 976 нм. Выход лазера с накачкой был соединен с мультиплексором с плотным разделением по длине волны 980/1550 нм, а общий порт был соединен с волокном, легированным эрбием. Выходная мощность измерялась с помощью оптического измерителя мощности (Thorlabs). Радиочастотные спектры регистрировались с помощью анализатора радиочастотного спектра (GW INSTEK, GSP-9330) через подключение фотодиода на основе InGaAs с частотой 5 ГГц (Thorlabs, DET08CFC/M). Оптические спектры регистрировались с помощью оптического анализатора спектра 600-1700 нм (YOKOGAWA, AQ6370D) с минимальным разрешением 0,02 нм. Цифровой осциллограф (GW INSTEK, GDS-3504) также использовался через подключение фотодиода InGaAs с частотой 5 ГГц (Thorlabs, DET08CFC/M) для анализа свойств последовательности импульсов.

Рисунок 5. Экспериментальные схемы волоконного лазера, легированного эрбием, с НП на основе ZnO и с модуляцией добротности; WDM Мультиплексор с плотным разделением по длине волны, EDF Волокно, легированное эрбием, ISO Оптический изолятор, PD Фотодиод, PM Измеритель мощности, ZnO-SA Насыщающийся поглотитель на основе ZnO, Osc Осциллограф, OSA Анализатор оптического спектра, ESA Анализатор спектра

Результаты и обсуждение

Эффективность волоконного лазера, легированного эрбием, с НП на основе ZnO и с модуляцией добротности

Непрерывный режим волоконного лазера, легированного эрбием, с модуляцией добротности возможен при низком пороге накачки 11,2 МВт. Однако, когда НП на основе ZnO, полученный из раствора или с помощью ИЛО, введен в резонатор лазера, пассивная импульсная работа с модуляцией добротности наблюдается при 22,2 МВт. На рисунке 6 показан типичный оптический спектр волоконного лазера, легированного эрбием, с модуляцией добротности в непрерывном режиме (сплошная красная линия) с НП на основе ZnO, полученного из раствора (сплошная синяя линия) и с помощью ИЛО (сплошная черная линия) при мощности накачки 230 МВт. Полоса пропускания спектров на уровне 3 дБ без НП составляет 0,4 нм при центральной длине волны 1572,37 нм. Однако для НП, полученного из раствора, полоса пропускания на уровне 3 дБ составляет 1,7 нм при центральной длине волны 1561,25 нм и 1,1 нм для НП, полученного с помощью ИЛО, при центральной длине волны 1568,21 нм. 

Рисунок 6. Измеренный оптический спектр волоконного лазера, легированного эрбием, без НП (сплошная красная линия) и с НП, полученным из раствора (сплошная синяя линия) и с помощью ИЛО (сплошная черная линия)

Частота повторения импульсов и длительность импульса для НП, полученного с помощью ИЛО (сплошные синие круги), исследовалась в зависимости от мощности накачки в диапазоне от 22,2 до 418 МВт. С НП, полученным из раствора или с помощью ИЛО, модуляция добротности начинается при мощности накачки 22,2 МВт. Для НП, полученного с помощью ИЛО, при увеличении мощности накачки с 22,2 до 418 МВт частота повторения импульсов увеличивается с 10,79 до 79,37 кГц, в то время как длительность импульса уменьшается с 23,58 до 5,6 мкс. 

На рисунке 7a показан радиочастотный спектр для НП, полученного с помощью ИЛО, при мощности накачки 283 МВт. Радиочастотный спектр измерялся при разрешающей способности 1 кГц и видео пропускной способности 10 Гц. В измеренных радиочастотных спектрах для НП, полученных с помощью ИЛО, наблюдаются 30 частотных гармоник в диапазоне частот 2 МГц, а пик основной частоты наблюдается при 65,45 кГц. Кроме того, соотношение сигнал/шум измеренных радиочастотных спектров для НП, полученного с помощью ИЛО, составляет 48 дБ (вставка на рисунке 7а). С другой стороны, на рисунке 7b показан радиочастотный спектр для НП, полученного из раствора, при фиксированной мощности накачки 75,3 МВт. В спектрах для НП, полученного из раствора, наблюдаются 10 частотных гармоник при разрешающей способности 1 кГц, видео пропускной способности 10 Гц и диапазоне частот 200 кГц. 

Рисунок 7. Измеренные радиочастотные спектры для НП, полученного с помощью (а) ИЛО, в диапазоне частот 2 МГц, при разрешающей способности 1 кГц и видео пропускной способности 10 Гц и (б) и из раствора, в диапазоне частот 200 кГц, при разрешающей способности 1 кГц и видео пропускной способности 10 Гц; на вставке приведено соотношение сигнал/шум при мощности накачки 45,7 МВт

Средняя выходная мощность волоконного лазера, легированного эрбием, с обоими НП показана на рисунке 8. Максимальная средняя выходная мощность НП, полученного из раствора, составляет 0,18 МВт при мощности накачки 75,3 МВт. Средняя выходная мощность НП, полученного из ИЛО, составила 5,35 МВт при мощности накачки 418 МВт.

Рисунок 8. Измеренная средняя выходная мощность в зависимости от мощности накачки для НП, полученных из раствора (пустые красные круги) и с помощью ИЛО (заполненные синие круги)

Энергия импульса НП, полученного из раствора, составила 2,86 нДж, а пиковая мощность — 0,327 МВт. Энергия импульса НП, полученного с помощью ИЛО, составила 74 нДж, а пиковая мощность — 10,9 МВт при мощности накачки 418 МВт. Согласно результатам на рисунках 8 и 9 волоконный лазер, легированный эрбием, с НП, полученным с помощью ИЛО, дает более высокую выходную мощность и обеспечивает более высокую устойчивость к насыщению, чем с НП, полученным из раствора.

Рисунок 9. (а) Энергия импульса и (b) пиковая мощность в зависимости от мощности накачки для НП, полученного из раствора (пустые красные круги) и с помощью ИЛО (заполненные синие круги)

Эффективность волоконного лазера, легированного эрбием, с НП на основе ZnO и с модуляцией добротности

Чтобы исследовать стабильность волоконного лазера, легированного эрбием, с НП, полученными из раствора и с помощью ИЛО, НП непрерывно подвергались воздействию при фиксированной мощности накачки 45,7 МВт в течение 3-5 ч. Средняя выходная мощность, длительность импульса, частота повторения импульсов и данные VP–P оптических импульсов, генерируемых волоконным лазером, легированным эрбием, непрерывно регистрировались.

Наблюдаемая нестабильность в импульсных последовательностях не была видна в ходе таких измерений. Чтобы решить проблему нестабильности импульса, была измерена V_P–P для НП, полученных из раствора и с помощью ИЛО, с помощью осциллографа, результаты показаны на рисунках 10 и 11. 

Рисунок 10. V_P–P как функция времени для НП, полученного из раствора (пустые красные круги) и с помощью ИЛО (заполненные синие круги)

Рисунок 11. (а) Частота повторения импульсов и (b) длительность импульсов в зависимости от времени для НП, полученных из раствора и с помощью ИЛО

Результаты на рисунках 10 и 11 подтверждают стабильность НП, полученных с помощью ИЛО. Более высокую стабильность НП, полученного с помощью ИЛО, можно объяснить процессом получения НП. Во время нанесения тонкой пленки с помощью ИЛО атомы / ионы осаждаются на волоконном наконечнике с гораздо более высокой адгезией и без каких-либо дополнительных примесей, например, ПВС и т.д. Более высокая адгезия без каких-либо дополнительных примесей и прямой рост ZnO на волоконном наконечнике в контролируемых условиях приводит к более высокой стабильности НП.

Вывод

Таким образом, в работе продемонстрирован волоконный лазер, легированный эрбием, с модуляцией добротности и с НП на основе ZnO, полученного из раствора или с помощью ИЛО. Были измерены длительность импульса, частота повторения, средняя выходная мощность, пиковая энергия, энергия импульса и стабильность для НП, полученных с помощью обоих методов. Эти результаты свидетельствуют о том, что для НП, полученного из раствора, в силу увеличения мощности накачки частота повторения импульсов увеличивается, а длительность импульса уменьшается. Кроме того, сначала была измерена и проведено сравнение стабильности импульса волоконного лазера, легированного эрбием, с НП, полученным из раствора и с помощью ИЛО, в течение более 5 часов с точки зрения V_P-P. Было обнаружено, что для НП, полученного с помощью ИЛО, V_P-P, длительность импульса и частота повторения остаются стабильными в течение длительного промежутка времени.

Можно также сделать вывод, что исследование стабильности волоконного лазера, легированного эрбием, не было бы надежным без измерения стабильности V_P-P для импульсных последовательностей. Предполагается, что ИЛО является перспективным методом для получения сверхстабильных НП благодаря возможности применения в фотонике.

Данное исследование позволит разрабатывать сверхстабильные НП для потенциального применения в импульсных лазерах и фотонных устройствах.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ