可視光パッシブモード同期全ファイバーレーザー

モードロック ファイバー レーザーは、産業、科学、生物医学のアプリケーションにおける多くの光学システムの基本コンポーネントです。これまで、1～2μmのモードロックファイバーレーザーが開発されてきましたが、可視域（380～760 nm）でのパッシブモードロックファイバーレーザーの報告はありませんでした。ここで、Zou Jinhai らは、波長 635 nm の可視光パッシブ モード同期全ファイバー レーザーを提案し、実装しました。まず、ギンツブルグ-ランダウ方程式を解くことにより、研究者たちは、散逸ソリトン共鳴領域で動作する 635 nm パッシブ モード同期フッ化物ファイバー レーザーのパルス形成と進化を理論的に予測および分析しました。次に、全ファイバー「8」共振器では、Pr 3+ /Yb 3+ 共ドープフッ化物ファイバーが可視光利得媒体として使用され、非線形増幅リングミラーがモードロック要素として使用され、約 635 nm の中心波長を持つ長方形の形状 散逸ソリトン共鳴パルスの安定した生成は、超狭スペクトル帯域幅 (< 0.1 nm)、96 ～ 1298 ps の調整可能なパルス持続時間、SN 比67 dB および 3.8713 MHz の繰り返し周波数。さらに、キャビティ内の偏光状態を調整することにより、研究者は、波長 635 nm のノイズのようなパルス、パルス幅 590 ～ 1434 ps の 635 nm のノイズのようなパルスの動作も観察しました。変調スペクトル (> 1 nm)。この研究は、レーザー材料の処理、可視光通信、および周波数の 2 倍化による超高速紫外線の直接生成に複数の潜在的な用途がある、可視スペクトルにおける重要な超高速レーザーを表しています。この作品は、Light: Science & Applications に掲載されました。

超短パルス モード同期ファイバー レーザーには、堅牢性、コンパクト性、優れたビーム品質という利点があり、材料処理、医学、分光法、光通信、科学研究などのアプリケーションで大きな関心を呼んでいます。ここ数十年で、近赤外および中赤外スペクトル領域で動作する超高速ファイバー レーザーが十分に開発されましたが、可視スペクトル領域 (380 ～ 760 nm) の超高速レーザー光源は、依然としてチタンをドープしたサファイア モードロックに大きく依存しています。発振 デバイスと光パラメトリック増幅システム (または近赤外超短パルスレーザーの周波数 2 倍化) は、構造が複雑でコストが高い。このため、研究者は、コンパクトで、低コストで、ユーザー フレンドリーで、メンテナンスフリーの代替超高速可視光レーザー ソリューションを望んでいます。全ファイバーパッシブモードロックがこれらすべての要件を満たしていることが研究により判明しており、可視光領域でパッシブモードロックファイバーレーザーを開発する強力な研究動機があります。過去 20 年間、可視光用のパッシブモードロックファイバーレーザーの研究はほとんど進歩していません。 (1) 低損失の可視光利得ファイバの製造は比較的困難である. フッ素含有ガラスマトリックス材料で作られたほとんどすべての可視光利得ファイバは、他の低損失ファイバと接続することができない.すべての可視光ファイバーを妨げるもの (2) 光ファイバーの欠如 互換性のある可視光モードロッカー (可視光可飽和吸収体など); (3) 可視波長光ファイバーコンポーネント (ファイバーアイソレーター、波長分割マルチプレクサー、カプラー、高出力ポンプなど)など) 光源がある程度成熟していない 上記により、全ファイバー可視光レーザーの実現が制限される; (4) 可視波長でのファイバー共振器の超大規模な正常分散により、パッシブモードの難易度が大幅に高まるロック。近年、低損失のソフト グラス ファイバー (フッ化物ファイバーなど) と高出力青色レーザー ダイオードの急速な開発により、希土類ドープフッ化物ファイバー (Pr3+ や Ho3+ など) は、可視光域。同時に、ナノ材料 (グラフェン、遷移金属硫化物、およびカーボンナノチューブ) に基づく可視光波長の受動光ファイバーコンポーネントおよび可視光可飽和吸収体においても急速な進歩が見られました。特に、研究者は、大きな正常分散ファイバーキャビティ内でのパッシブモードロックの難しさを克服するために、新しい動作メカニズムである散逸ソリトン共鳴を提案しました。散逸ソリトン共鳴のメカニズムに基づいて、研究者は、1.55 μm の正分散エルビウム-イッテルビウム共添加ファイバー レーザーで約 10 μJ の高出力散逸ソリトン共鳴パルスを実現し、強力な正分散ネオジム添加ロックを取得しました。 927 nm の短波長モード ファイバー レーザー。また、散逸ソリトン共鳴機構と上記の可視域の進展をうまく組み合わせることができれば、可視波長パッシブモードロックファイバーレーザーのブレークスルーが期待される。

01

理論研究

635 nm パッシブ モードロック ファイバー レーザーの数値モデルは、実験構造と一致しています。 Pr3+/Yb3+ 共ドープフッ化物ファイバーは、635 nm 付近の可視光ゲインを提供します.モードロック素子は、周期的な飽和吸収効果を引き起こす非線形増幅ループミラーです。ファイバー レーザーの 635 nm パルス伝播は、スカラー複素 3 次ギンツブルグ-ランダウ方程式によって制御でき、標準のスプリットステップ フーリエ法によって数値的に解くことができます.シミュレーションは、初期パルスとして 1 ps のガウス パルスで開始され、パルスは、安定モード ロックで安定したソリューションにすばやく収束できます。図 1 に示すように、研究者は、散逸ソリトンの共鳴領域における 635 nm モードロック パルスの形成と進化をシミュレートしました。往復回数が増えると、最初のパルスはすぐに収束し、キャビティ内で安定したパルスを形成します (図 1a)。群速度分散効果、自己位相変調、およびピーク パワー クランプ効果により、パルス振幅は最初に増加し、その後変化しません。対応するスペクトル展開を図 1b に示します。往復回数が増えるとスペクトルは狭くなり、スペクトル帯域幅の変化傾向はパルス幅とは逆になります。最後に、ラウンドトリップ数をさらに増やしても、パルス、スペクトル、およびピークパワーはすべて定常状態に達し、635 nmでの安定モードロックが確立できることを示しています。図 1c は、635 nm モードロック パルス プロファイル (実線) と、対応する周波数チャープ (点線) を小信号ゲイン係数の関数として示しています。小信号ゲイン係数の増加 (ポンプ出力の増加に相当) に伴い、パルス持続時間は直線的に広がり、パルス振幅は変化しません。パルスには、その分布に沿って 2 つの異なるチャープ特性があります (図 1c)。 1 つは中心領域での低い線形チャープで、もう 1 つはパルスの 2 つのエッジでの大きな非線形チャープです。図 1d は、635 nm モードロック パルスの対応するスペクトルを示しています。これらのスペクトルは、635 nm 付近の超狭スペクトル帯域幅 (< 0.1 nm) と、急なエッジを持つ三角形のプロファイルを示しています。小信号ゲイン係数が増加すると、三角スペクトルのエッジは変化せず、新しく生成されたスペクトル部分がスペクトルを覆い、ピークを形成します。図 1c および d のシミュレーション結果は、635 nm モードロック パルスが一定の振幅、線形に広がったパルス持続時間、狭いスペクトル ピーク プロファイル、および散逸ソリトン共鳴領域の典型的な特徴である鋭いエッジを持っていることを示しています。

 数値シミュレーション結果: 小信号ゲイン係数は 1.6m-1、変調度は 0.6、飽和電力は 5.5W、ファイバーループ長は 47m です。 a. パルスの変化 b. 最適なスペクトルの変化 c. 異なる小信号ゲイン係数の下でのパルス時間プロファイル (実線) と周波数チャープ (破線) d. スペクトル (図: 線形範囲のスペクトル) e , パルス異なるピーク電力での時間分布。 f. 異なる変調深度でのパルス時間分布 g. 異なるファイバー ループ長でのパルス持続時間 h. 異なるファイバー ループ長でのパルス エネルギーと小信号ゲイン係数の関係



周知のとおり、非線形増幅ループ ミラーのモード同期は、逆伝播光フィールドの非線形干渉に起因し、その飽和パワーと変調深度は、最適なカプラーの分割比とファイバーの長さに依存します。ループ。たとえば、ファイバーのループ長を 7 m から 87 m に徐々に変更することで、飽和電力を 52.8 W から 2.7 W に変更できます。その後、635 nm パッシブ モード同期ファイバー レーザーの実験計画を最適化するために、散逸ソリトンの共振モード同期性能に対する非線形増幅ループ ミラーの特性の影響をシミュレートする必要があります。飽和パワーが増加すると、散逸ソリトン共鳴パルスの持続時間は減少しますが、パルス ピーク パワーは増加し、スペクトルは広がります。図 1f に示すように、変調度が大きいほど、サポートできるパルス幅が広くなり、散逸ソリトン共鳴状態で得られるピーク電力が大きくなります。さらに、ファイバー ループの長さが長くなると (非線形蓄積が大きくなり、非線形増幅ループ ミラーの飽和電力が低下することを意味します)、図 1g から、散逸ソリトン共振のモード同期しきい値が最初に急激に低下することがわかります。その後、それは変化せず (L>47 m の場合)、パルス幅は大幅に長くなります。図 1h に示すように、パルス エネルギーとスロープ変換効率は、ファイバー ループの長さとともに徐々に増加します。ファイバー ループの長さが固定されると、周期的な可飽和吸収によって引き起こされるピーク パワー クランプ効果により、パルス ピーク パワーは常に一定に保たれることに注意してください。図 1 の数値結果によると、低しきい値モード同期と高性能出力を考慮すると、カプラーの分割比と非線形増幅ループ ミラーのファイバー ループ長は 50:50 に設計する必要があります。それぞれ ~47 m。

02

実験的研究

数値シミュレーションに基づいて、研究者たちは 635 nm パッシブ モード同期全ファイバー レーザーの実験的研究を設計し、さらに提案しました。図 2a と b は、それぞれ実験装置の模式図と対応する写真を示しています。レーザー共振器は、非線形増幅リングミラーと一方向リングを含む「8」字型の構造で構成されています。非線形増幅ループ ミラーはモード ロック要素として機能し、635/850 nm 波長分割マルチプレクサ、3 m の Pr3+/Yb3+ 共ドープフッ化物ファイバー、同軸ファイバー偏光コントローラー、および約 40 m HP 460 ファイバーで構成されます。 Pr3+/Yb3+ 共ドープフッ化物ファイバーのパラメータは次のとおりです。850 nm での吸収係数は約 4.0 dB/m、開口数は 0.23、コア/クラッドの直径は 2.8/125 μm です。シングルモード ファイバー ピグテールを備えた 850 nm レーザー ダイオードは、635/850 nm 波長分割マルチプレクサーを通過してフッ化物ファイバーを励起し、Pr3+ と Yb3+ イオン間の協調エネルギー移動により約 635 nm の強力なアップコンバージョン ゲインを提供します。 (1) Yb3+ の 2F5/2 エネルギー準位は、850 nm によって励起される基底状態の吸収によって励起されます; (2) Yb3+ の 2F5/2 エネルギー準位から Pr3+ の 1G4 エネルギー準位への電子移動が発生します。 ; (3) 次に、Pr3+ イオンが 3P0 エネルギー レベルに励起され、3P0→3H6 を介して約 635 nm で強い発光を生成できます。単方向リングには、約 635 nm の 10:90 出力光カプラー、組み込みファイバー偏光コントローラー、および 635 nm ファイバー光アイソレーターが含まれています。 50:50 ファイバー カプラーは、非線形拡大リング ミラーとパッシブ一方向リングを接続します。非線形増幅ループ ミラーの大きな変調深度と低い飽和パワーを確保するために、635 nm で高い非線形性と大きな正常分散を備えた 50:50 ファイバー カプラーと 40 m の長さの HP 460 ファイバーを選択します。共振モードロック。実験では、キャビティの往復長は約 53 m であり、強正分散領域では、キャビティの正味の分散は約 3.1 ps2 と見積もられています。さらに、研究者は Pr/Yb 共ドープフッ化物ファイバー ジャンパーを作成し、ファイバー アダプターを介してシングルモード シリケート ファイバー (HP 460 ファイバーなど) に効率的に接続し、コンパクトな全ファイバー キャビティを確保しました。出力スペクトルは 350-1750 nm のスペクトラムアナライザー (Ando AQ-6315E) によって測定され、可視モードロックレーザーの時間特性は 12.5 GHz 光検出器 (ET-4000F、Electro-Optics Technology, Inc.) によって測定されます。および 40 G サンプル/秒、12 GHz 帯域幅の高速デジタル ストレージ オシロスコープ (Agilent Infiniium DSO81204A) または電子スペクトラム アナライザーの記録。



可視光パッシブモード同期ファイバーレーザーの実験装置。 a. デバイスの概略図、b、635 nm の散逸ソリトン共鳴モード同期ファイバー レーザーの写真。

実験では、連続波赤色レーザーのしきい値は 58 mW です。ポンプ出力が 68 mW を超えると、研究者は安定したモード ロックを観察しました。励起電力が 93 mW の場合の赤色光モードロックパルスの出力特性を図 3 に示します。モードロックスペクトルの中心波長は 635.04 nm、3 dB 幅は約 0.07 nm であり、三角形の底辺の輪郭に狭いスペクトルピークが表示されていることがわかります (図の数値シミュレーションと同様)。 1d)。図 3b は、間隔が約 258.3 ns の典型的なパルス シーケンスを示しています。これは、キャビティの往復時間 (キャビティの長さ約 53 m に対応) と一致し、出力パルスは均一な強度を持っています (図 3b の挿入図)。ロック表示 モードレッドレーザーは非常に安定しています。図 3c は、単一パルスのエンベロープを示しています.スーパー ガウス フィッティングが使用されている場合、パルスは上部が平らな長方形のプロファイルを持ち、パルス幅は 567 ps です。 68 mW のポンプ出力で、研究者が 96 ps の最小パルス持続時間を観測したことは注目に値します (図 3c 挿入図)。さらに、図 3d に示すように、10 Hz の解像度帯域幅で記録された出力スペクトルには、3.8713 MHz の基本周波数と 66.9 dB の高い信号対雑音比があります。図 3 の挿入図は、100 MHz スパンのスペクトル変調を示しており、635 nm 可視ファイバー レーザーの安定した連続波モードロック動作をさらに示しています。



 ポンプパワー93mWの635nmモードロックレーザーの特性。 a. モードロック操作の出力スペクトル。 b. パルス シーケンスの典型的なオシロスコープのトレース。 c. シングル パルス エンベロープ (図: 68 mW のポンプ出力でのシングル パルス エンベロープ)。 d. 基本周波数スペクトル (図: 広帯域スペクトル (100 MHz スパン))。

635 nm のモードロック動作をよりよく理解するために、研究者は、赤色モードロック ファイバー レーザーの典型的な出力特性をさらに調査しました。図 4a は、ポンプ出力による単一パルスの変化を示しています。ポンプ電力が増加するにつれて、パルス幅が徐々に増加し、典型的な散逸ソリトン共鳴領域の特性を示していることがわかります。対応するスペクトルが図 4b に示され、三角形のベース プロファイルの狭いピークが強く鋭くなっています。図 4a、b の実験結果は、図 1c、d の数値結果と非常に一致しており、635 nm モードロック レーザーが散逸ソリトン共鳴領域で機能することをさらに示していることがわかります。図 4c は、さまざまなポンプ パワーでの広範囲 (6 GHz) の広帯域スペクトルを記録しています。周波数スペクトルでは、周期的な変調エンベロープ (パルス持続時間に関連) がはっきりと観察できます。ポンプ電力が 90 mW から 104 mW に増加すると、RF 変調周期は ~1.83 GHz から ~1.20 GHz に減少し、それに応じてパルス持続時間は ~550 ps から ~830 ps に増加します (図 4a)。散逸ソリトン 共鳴理論は一貫しています。 635 nm の散逸ソリトン共鳴モード同期全ファイバー レーザーの動作安定性を評価するために、研究者は 93 mW のポンプ出力で 10 分ごとにスペクトルとスペクトルを記録しました。測定データによると、基本周波数におけるRF強度の二乗平均平方根値は約0.209 dBm（RF強度の相対変動は約0.4%にすぎない）と見積もることができ、パルスが安定して動作していることを示しています。さらに、図 4d に示すように、レーザー出力の中心波長はドリフトせず、3 dB の帯域幅は 2 時間のテスト期間中に変化せず、優れた再現性と長期安定性を示しています。図 4e は、平均出力電力とパルス エネルギーをポンプ電力の関数として示しています。平均パワーとパルス エネルギーは、飽和することなく直線的に増加します。実験では、研究者は 1.35 mW の最大出力電力を取得し、122.9 mW のポンプ電力で、パルス エネルギーは 0.35 nJ と計算されました。パルス持続時間とピーク電力は、ポンプ電力の関数として図 4f にプロットされます。ポンプパワーが 68 mW から 122.9 mW に増加すると、パルス持続時間は 96 ps から 1298 ps に直線的に広がりますが、ピークパワーは最初はわずかに増加し、その後は変化しません。
635 nm における散逸ソリトンの共鳴領域の特性。 a. 励起電力が増加した場合の単一パルスの包絡線 b. 励起電力に対するスペクトルの対数スケール c. 90 mW から 104 mW の大きなスパン (6 GHz) 範囲の励起電力のスペクトル d 、スペクトル安定性の測定e. 平均出力パワーとパルスエネルギーとポンプパワーとの関係 f. ポンプパワーの関数としてのパルス持続時間とピークパワー。

実験では、研究者は単純な可視光グレーティング ペア (GR25-1208) を使用しようとしましたが、703 ps から 626 ps へのわずかな圧縮しか得られませんでした。これは、散逸ソリトン共鳴パルスの大きな非線形チャープによって制限される可能性があります。 (図 1c)。非線形可視グレーティングを特別に設計することで、より高い圧縮率が期待できます。さらに、自作の Pr3+/Yb3+ 共ドープフッ化物ファイバー増幅器を使用して、持続時間約 567 ps、平均出力 0.4 mW の 635 nm 散逸ソリトン共鳴レーザーを増幅し、研究者は最大平均出力5.1 mW およびパルスエネルギー 1.32 nJ の増幅されたレーザー出力と約 2.3 W のピークパワーは、この 635 nm モードロックパルスの全ファイバー増幅の可能性を示しています。

ノイズのようなパルスは、時間コヒーレンスの低い多くの無秩序なサブパルスで構成されています。これは、635 nm のパッシブ モードロック「8」字型ファイバー レーザーのもう 1 つの典型的な動作状態です。実験では、偏光状態を変更し、ポンプ パワーを調整することにより、研究者はノイズのようなモードロック パルスを観察することもできます。図 5 は、ノイズのようなパルスの典型的な特性を示しています。図 5a に示すように、ポンプ パワーの増加に伴い、ノイズのようなパルスの展開は、図 4a の散逸ソリトン共鳴パルスと同様の特性 (つまり、一定の振幅とパルスの広がり) を持ちますが、635 での非線形光学nm パルスは、散逸ソリトン共鳴パルスの安定したトップとはまったく異なり、矩形パルスのトップで非常にカオス的です。図 5b は、さまざまな作業条件下での 635 nm ファイバー レーザーの出力スペクトルを示しています。連続波動作では、スペクトル (緑) が比較的広く、いくつかの不規則なピークで構成されていることがわかります。散逸ソリトン共鳴モード同期動作では、スペクトル (赤) が非常に滑らかになり、帯域幅が狭くなっています (< 0.1 nm) 典型的な鋭いエッジを持つスペクトル; ノイズのようなパルス モード ロック操作の下では、スペクトル (青) は大幅に広く、ポンプ パワーの増加に伴ってスペクトル帯域幅が増加します。これは、ノイズのようなパルスの典型的なスペクトルです。特性。時間の経過とともに、変調スペクトル (~0.24 nm 周期) がノイズのようなパルス モード ロックに現れます。これは、ファイバーで励起されたノイズのようなパルスの高ピーク パワー サブパルスの強い非線形効果によるものです (たとえば、自己位相変調と 4 光波混合)。ノイズのようなパルスの基本周波数は 3.8713 MHz で、SN 比は 57.1 dB です。散逸ソリトン共鳴状態のスペクトルには、非常に対照的なエンベロープ変調 (図 4c) があり、ノイズのようなパルスはカオスであり、低振幅のエンベロープ変調があることに注意してください。ノイズのようなパルスの出力特性をさらに示すために、図 5c は、平均出力電力とパルス エネルギーをポンプ電力の関数として示しています。図 5d から、ポンプ出力が 93 mW から 122.9 mW に増加した場合、ノイズのようなパルスのパルス持続時間は 590 ps から 1434 ps に延長し、ピーク出力は変化しないことがわかります。散逸ソリトン共鳴方式の場合と非常によく似ています。



 635nmの非線形光学系の特徴。 a. ポンプ出力が増加すると、単一パルスの包絡線が変化します b. 連続波 (緑)、非線形分極モードロック (青)、散逸ソリトン共鳴モードロック (赤) の動作条件でのスペクトル c. 平均出力パワーとパルスエネルギーはポンプパワーの関数 d. パルス持続時間とピークパワーはポンプパワーの関数

要約すると、研究者は理論的および実験的方法を使用して、非線形増幅ループ ミラーに基づいた 635 nm 全ファイバー パッシブ モードロック レーザーを研究しました。まず、標準的な分割ステップ フーリエ法を使用してギンツブルグ-ランダウ方程式を解くことにより、研究者は散逸ソリトンの共鳴領域における 635 nm モードロック パルスの形成と進化を予測しました。理論的研究によると、小信号ゲイン係数の増加 (ポンプパワーの増加) に伴い、635 nm の方形パルスは、線形に広がったパルス持続時間、一定振幅、狭いスペクトルピーク、および鋭いエッジを示します。さらに、研究者は、散逸ソリトン共鳴のモード同期性能に対する非線形増幅ループミラー特性の影響もシミュレートし、非線形増幅ループミラーファイバーカプラーは、最適なファイバーループ長 (~47 m) と大きいものを選択する必要があることを明らかにしました。低しきい値モード ロックと高性能出力を保証する高い分割比 (50:50)。理論的研究に基づいて、研究者らは、635 nm の全ファイバーパッシブモードロック Pr3+/Yb3+ 共ドープフッ化物ファイバーレーザーを実験的に実現しました.このうち、散逸ソリトン共鳴スペクトルの中心波長は 635.04 nm で、スペクトル帯域幅はこれに対応して、レーザーパルスの持続時間はピコ秒 (96 ～ 1298 ps) で、パルス繰り返し率は 3.8713 MHz であり、優れた信号対雑音比 (> 66 dB) を備えています。さらに、同軸ファイバーの偏波コントローラーとポンプパワーを調整することで、研究者たちは、590 ps から 1434 ps までのパルス持続時間で調整可能なノイズのようなパルス動作と規則的に変調されたスペクトルを取得しました。したがって、この研究は、可視波長で超短パルスを生成するための新しいパラダイムを提供します。このパラダイムは、紫外波長領域でのレーザー材料の加工や周波数倍化に幅広く応用できる可能性があります。