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Jun 18, 2023

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Jun 11, 2023

素晴らしい

Apr 27, 2023Apr 27, 2023

Scientific Reports volume 6、記事番号: 23759 (2016) この記事を引用

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21件の引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

スーパーフラットスーパー連続体は、ダブルクラッドTmドープファイバー増幅器から生成されます。 2 つの異なるレーザー構成を調査し、比較しました。 直接出力構成では、スーパーコンティニュームスペクトルの長波長端は 740 nm の 10 dB 帯域幅で 2.65 μm を超えて拡張されます。 パッシブピグテール構成では、生成されたスーパーコンティニュームは、1.98 μm ~ 2.41 μm の広い中心スペクトル範囲で強度差が 1 dB 未満である優れた平坦性を特徴とします。

スーパーコンティニュームは、その広帯域スペクトル特性が多くの重要な研究分野や実用化において大きな可能性を約束するため、数十年にわたって研究されてきました1、2、3。 これまでに、従来のシングルモードファイバー 3,9、GeO2 を含むさまざまなファイバーで、Yb ドープファイバーレーザー 4,5 や Er ドープファイバーレーザー 6,7,8,9 などのさまざまなポンプ光源を使用して、多くの異なるスーパーコンティニューム光源が開発されてきました。ファイバー10、11、12、高非線形ファイバー13、14、フォトニッククリスタルファイバー5、15、16、ZBLANファイバー17、18、19、20、21。

さらに、活性ファイバー、特に Tm ドープファイバーもスーパーコンティニューム生成に有効な媒体であることがわかっています 8,9,10,22,23,24。 そして、Tm ドープファイバーレーザーの急速な開発に伴い、2 μm レーザー光源は中赤外スーパーコンティニュームの生成における理想的なポンプとして比類のない利点を実証しました 17,18,19,20,21。 Tmドープファイバは2μmレーザ光源の利得媒質としてだけでなく、スーパーコンティニューム発生用の非線形媒質としても使用できるため、Tmドープファイバベースのスーパーコンティニュームシステムが望ましいと考えられます。 Tm ドープファイバーベースのスーパーコンティニュームシステムでは、Tm イオンの 3F4-3H6 および 3H4-3H5 遷移もスペクトルの広がりに重要な役割を果たすため、スーパーコンティニューム生成プロセスはパッシブファイバーからのより複雑な物理メカニズムを示します 8,22,23,24。 25.

2007 年には早くも S. Kivisto らは、1.95 μm から 2.25 μm にわたる Tm/Ho 共添加ファイバ増幅器におけるスーパーコンティニュームの生成を報告しました26。 2013 年に、J. Liu は、3 段 Tm ドープ ファイバー増幅器からの高出力スーパーコンティニューム源を実証し、スペクトル範囲は 2.4 μm を超えて拡張されました 27。 その後、2014 年に VV Dvoyrin が 1 段アンプのみを使用して長波長側を 2.5 μm まで拡張しました28。 しかし、これらの報告では、生成されたスーパー連続体の平坦性は満足のいくものではなく、強度差は約 10 dB です。

私たちの以前の研究では、パルス 2 μm レーザー源が構築されました 29、30、31。 本報告では、自社開発の2μmレーザー光源をシードとして、793nm LDをポンプとして利用し、スーパーコンティニューム発生用のTmドープファイバー増幅器を開発した。 また、2 つの異なるスーパーコンティニューム生成構成、すなわち直接出力構成とパッシブ ピグテール構成が調査されました。 直接出力構成では、レーザー出力はダブルクラッド Tm ドープ ファイバーの出力端で直接測定されます。 これとは異なり、ピグテール構成では、パッシブ ファイバーのセクションがダブル クラッド Tm ドープ ファイバーの出力端で接続されます。 そして、レーザー出力はパッシブファイバーの角度劈開出力端で記録されます。 スーパーコンティニュームは両方のスキームで観察されますが、その特徴は異なります。 直接出力構成では、生成されるスーパーコンティニュームの 3 dB 帯域幅は約 600 nm に達しますが、ピグテール構成では、1.98 からの広い中心スペクトル範囲でわずか 0.87 dB の強度差で超平坦なスーパーコンティニュームが得られます。 μm~2.41μm。

レーザー システムでは、利用されるパルス 2 μm レーザー シードの最大出力は 1.1 W で、反復率は 20 kHz から 100 kHz まで調整可能です。 20 kHz の繰り返しレートでは、シードはゲインスイッチモードロックモード 29,30,31 で動作し、100 ns のゲインスイッチエンベロープには持続時間約 8 ns の数十のサブパルスが含まれます。 より高い繰り返しレートでは、シードは約 50 ns のパルス幅のゲイン切り替えモードで動作します。 増幅ファイバは、793 nm で約 3 dB/m の吸収係数を持つ、長さ 7 m のダブルクラッド Tm ドープ ファイバ (Nufern、10P/130) のセクションです。 六角形のファイバーコアの NA は 0.15、コア直径は 10 μm です。 ファイバのクラッド直径は 130 μm です。

まず、直接出力構成におけるダブルクラッド Tm 添加ファイバ増幅器の繰り返し周波数 60 kHz での出力特性を調べます。 結果を図 1 に示します。図 1(a) はレーザースペクトルを示し、図 1(b) は出力パワーを示します。

ダブルクラッド Tm ドープファイバ増幅器の 60 kHz 繰り返し周波数での出力特性: (a) 増幅器の出力スペクトル。 (b) 出力電力と起動ポンプ電力の関係。

図1(a)の短い破線は、長さ7mのダブルクラッドTmドープファイバを伝播した後のパルス2μmレーザーシードの測定スペクトルを示しています。 また、点線と実線は、それぞれ Tm ドープ ファイバの増幅自然放出 (ASE) スペクトルと 4 W 793 nm ポンプでの増幅器の出力スペクトルを表します。 わかるように、シード スペクトルは 1.95 μm 付近を中心とし、3 dB 線幅は約 14 nm、ASE は 2 μm を中心とし、3 dB 帯域幅は約 45 nm ですが、増幅器スペクトルはこの 2 つの組み合わせです。 シード スペクトルと ASE スペクトルの両方が Tm イオンの 3F4-3H6 遷移に由来することに注意する必要があります 25。 図1(b)に示すアンプのスロープ効率は、12.5Wポンプでの最大出力2.8Wで約22.3%であり、参考文献の効率と同等です。 32.

ピグテール構成では、アンプは 60 kHz の繰り返しレートで同じ出力特性を示します。

図 2 に示すように、2 μm レーザー シードの繰り返しレートを 20 kHz に調整すると、793 nm ポンプがなくても、両方のレーザー構成で Tm ドープ ファイバー増幅器内にスーパーコンティニュームが生成されます。図 2(a) はスーパーコンティニュームを示しています。ダブルクラッド Tm ドープ ファイバの出力端に受動ファイバがない直接出力構成の Tm ドープ ファイバ増幅器から生成される一方、図 2(b) は Tm ドープ ファイバから生成されるスーパーコンティニュームを示します。パッシブピグテール構成のアンプで、長さ 1 m の SMF28 パッシブファイバのセクションがダブルクラッド Tm ドープファイバの出力端で接続されています。

793 nm ポンプパワーなし、20 kHz 繰り返しレートでの Tm ドープファイバ増幅器からのスーパーコンティニューム生成: (a) Tm ドープファイバの出力端にパッシブファイバのない直接出力構成。 (b) Tm ドープ ファイバの出力端に長さ 1 m のパッシブ ファイバを備えたピグテール構成。

図 3 には、さまざまな 793 nm ポンプパワーでさらに多くのスーパーコンティニュアが記録されています。 図 3(a) は、さまざまな 793 nm ポンプパワーで直接出力構成で測定されたレーザースペクトルを示しています。 また、パッシブピグテール構成から測定されたレーザースペクトルを図3(b)に示します。

異なる 793 nm ポンプパワーを使用した 20 kHz の繰り返しレートでの Tm ドープファイバ増幅器からのスーパーコンティニューム生成:(a)直接出力構成。 (b) ピグテール構成。

最大ポンプパワーで生成されたスーパーコンティニュアを図4に示します。また、Tmドープファイバ増幅器の出力パワーを図5に示します。

12.5 W 793 nm ポンプを使用して 20 kHz の繰り返しレートで Tm ドープ ファイバー増幅器から生成された最大のスーパーコンティニューム: (a) 直接出力構成。 (b) ピグテール構成。

20 kHz 繰り返しレートでの Tm ドープファイバ増幅器の出力パワー: (a) 直接出力構成。 (b) ピグテール構成。

図1(a)の出力スペクトルは、増幅プロセス中にASEが発生するため、2μmのレーザー信号が効果的に増幅されていないことを示しています。

図2(a)に見られるように、パッシブピグテールなしで生成されたスーパーコンティニュームは、1.92μmから2.35μmまでの広い波長範囲をカバーする約430nmの3dB帯域幅を備えた広帯域長波長スーパーコンティニューム領域を特徴づけます。吸収されない 2 μm レーザー信号。これは長波長スーパーコンティニュームより約 6 dB 高い。 この現象は参考文献 17、18、19、20、21 でも観察されます。図 2(a) とは異なり、パッシブ ファイバーを使用すると、図 2(b) の 2 μm レーザー信号ははるかに小さくなります。 ただし、スペクトルは 2.1 μm を中心に 3 dB 帯域幅約 200 nm と狭くなります。 2.1μm付近のこの広いスペクトルピークは図2(a)でも観察されます。 我々は、これは Tm イオンの 3H4-3H5 遷移に起因すると考えています 8,22,23,24。

さらに、図 2 の両方のスペクトルは主に長波長側に向かって広がっており、生成されたスーパーコンティニュアがスペクトルの両側で広がる 1.6 μm 励起スーパーコンティニューム生成のスペクトルとは大きく異なります 6、7、24。 レッドシフトスーパーコンティニュームの生成の主な理由は、ラマン散乱によって誘発されるソリトン分裂とソリトン自己周波数シフトを引き起こす変調不安定性である9、18、19、24。

図 2(a) と同様に、図 3(a) では、比較的強い 2 μm レーザー信号が異なる 793 nm ポンプパワーで維持されています。 また、2μm付近にASE信号が観測されます。 4 W ポンプでは、生成されるスーパーコンティニュームの 3 dB 帯域幅は約 600 nm まで広がりますが、10 dB 帯域幅は 740 nm に達し、長波長は 2.6 μm を超えます。 図 3(b) では、4 W 793 nm ポンプで、フラット スーパーコンティニュームが 490 nm の 3 dB 帯域幅を示し、図 2(b) の 793 nm ポンプなしの帯域幅と比較して 2 倍以上であることがわかります。 。 さらに、2μmのレーザー信号はパッシブファイバー内の伝播によってほとんど除去され、図3の挿入図に示されているように、1.99μmから2.40μmまでわずか1.1dBの強度差を示す、生成されたスーパーコンティニュアの平坦性に貢献しています。 (b)。 そして、強度差は主に 2 μm 付近の強い ASE 信号によって引き起こされることが明らかです。

図 4(a) に示されているように、12.5 W 793 nm ポンプでは、4 W 793 nm ポンプパワーのスペクトルと比較して、直接出力構成のスペクトルの帯域幅はさらに広がりませんが、ASE 信号は増加します。これは長波長スーパーコンティニュームよりも約 3 dB 高いです。 逆に、パッシブピグテール構成では、図4(b)に示すように、ポンプパワーの増加に伴ってスーパーコンティニュームの幅が広がります。 パッシブピグテール構成のスーパーコンティニュアの 3 dB 帯域幅と 10 dB 帯域幅は、それぞれ 540 nm と 610 nm に達します。 また、1.98μmと2.41μmの間のスーパーコンティニュームの中心領域の強度差はわずか0.87dBであり、これは主に図4(b)の挿入図に示されているように強いASE信号によって引き起こされており、このレーザーの優れた平坦性を示しています。システム。

図 5(a) にプロットされているように、ピグテール ファイバがない場合、最大出力電力は約 21.1% のスロープ効率で約 2.7 W であり、これは図 1(b) の 60 kHz での効率に非常に近いです。これは、出力パワーが主に 2 μm レーザー信号のパワーであることを示しています。 これとは異なり、受動ピグテール構成では、図 3(b) に示すように、2 μm レーザー信号が受動ファイバ内の伝播によってほぼ除去されるため、Tm ドープ ファイバ増幅器の出力パワーは主にスーパーコンティニュームの出力になります。および4(b)。 ただし、スーパーコンティニュームの出力ははるかに小さく、図5(b)に示すように最大出力はわずか400mWです。

スーパーフラットスーパー連続体は、Tmドープファイバー増幅器から生成されますが、シードの増幅は強いASE信号が存在するため理想的ではありません。 さまざまなポンプパワーとレーザー構成の比較について説明し、分析します。 パッシブ ピグテール構成と比較して、直接出力構成はより広いレーザー スペクトルを享受できる一方、パッシブ ピグテール構成はより平坦なスーパーコンティニュームを誇ります。 このレーザー システムは、広帯域吸収分光法の用途に適用可能です。 ただし、生成されるスーパーコンティニュームの出力はまだ比較的低いです。 そして、出力パワーとスペクトル拡張のさらなる改善を考慮する必要があります。

Tmドープファイバ増幅器の実験セットアップを図6に示します。パルス2μmレーザー源は、参考文献に記載されているものと同様のスキームを採用しています。 25. 2 μm レーザー源と 793 nm LD からのポンプ源は、ポンプ結合器 (PC) を介して長さ 7 m のダブルクラッド Tm ドープ ファイバー (Nufern、10P/130) のセクションに結合されます。

Tmドープファイバー増幅器の概略図。

レーザースペクトルは、Andor Shamrock 750 スペクトル アナライザーで記録されます。 なお、スペクトラムアナライザの分解能は、グレーティングとステップ長によって決まる約2nmである。 また、熱電冷却された高速 HgCdTe 検出器と 4 GHz オシロスコープ (Tektronix TDS 7404) を利用してレーザー パルスを監視します。

この記事を引用する方法: Tao, M. et al. Tmドープファイバー増幅器からのスーパーフラットスーパーコンティニューム生成。 科学。 議員6、23759; 土井: 10.1038/srep23759 (2016)。

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この研究は、助成金番号 SKLLIM1409 および SKLLIM1503 に基づくレーザー物質相互作用国家重点研究所 (SKLLIM) および中国科学院の百人人材プログラムによって部分的に支援されています。 著者らはまた、原稿の準備について指導してくださった SKLLIM の Yongsheng Zhang 氏に感謝します。

レーザーと物質の相互作用に関する州重点研究所、北西原子力技術研究所、710024、西安、中国

タオ・メンメン、ワン・ジェンバオ、チェン・ホンウェイ、シェン・ヤンロン、フェン・グオビン

中国科学院、上海光学精密機械研究所、宇宙レーザー情報技術研究センター、201800、中国、上海

ティン・ユー&シーシェン・イェ

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GF と XY がこのプロジェクトを発案しました。 実験はMT、TY、ZWによって設計されました。 パルス2μmレーザー源はMTによって構築されました。 HC と YS はレーザー出力のスペクトルを測定しました。 著者全員が結果の解釈と原稿の作成に貢献しました。

Mengmeng Tao または Xisheng Ye に相当します。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

この作品は、クリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされています。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、クレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材がクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれていない場合、ユーザーは素材を複製するためにライセンス所有者から許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Tao, M.、Yu, T.、Wang, Z. 他 Tmドープファイバー増幅器からのスーパーフラットスーパーコンティニューム生成。 Sci Rep 6、23759 (2016)。 https://doi.org/10.1038/srep23759

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受信日: 2015 年 12 月 3 日

受理日: 2016 年 3 月 14 日

公開日: 2016 年 3 月 29 日

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

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