RU2801363C1 - Generation of ultrashort pulses in submicron region of the spectrum on neodymium fibre in all-fibre circuit - Google Patents

Generation of ultrashort pulses in submicron region of the spectrum on neodymium fibre in all-fibre circuit Download PDF

Info

Publication number
RU2801363C1
RU2801363C1 RU2023103598A RU2023103598A RU2801363C1 RU 2801363 C1 RU2801363 C1 RU 2801363C1 RU 2023103598 A RU2023103598 A RU 2023103598A RU 2023103598 A RU2023103598 A RU 2023103598A RU 2801363 C1 RU2801363 C1 RU 2801363C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fibre
resonator
neodymium
fiber
dispersion
Prior art date
Application number
RU2023103598A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Геннадьевич Гладуш
Альберт Галийевич Насибулин
Арам Арсенович Мкртчян
Михаил Сергеевич Мишевский
Original Assignee
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" filed Critical Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Application granted granted Critical
Publication of RU2801363C1 publication Critical patent/RU2801363C1/en

Links

Abstract

FIELD: computer technology.
SUBSTANCE: method for generating ultrashort pulses with neodymium fibre in the submicron range in an all-fibre scheme consists in diode pumping a 1.3-meter polarization-maintaining single-mode fibre doped with neodymium with core absorption through a spectral compressor with a wavelength separation of 800 nm/920 nm. On one side, the resonator is terminated with a chirped fibre Bragg grating (CFBG) with group delay dispersion used to compensate for high normal dispersion of the fibres inside the resonator. The CFBG serves as a bandpass optical filter with a centre wavelength of 920 nm and a Gaussian profile to detect the laser wavelength. To obtain mode locking at the connector tip, a saturable semiconductor mirror absorber (SESAM) is installed at the other end of the linear resonator. Linear polarization is provided by a polarizer inside the circuit.
EFFECT: generation of ultrashort pulses with neodymium fibre in the submicron range in an all-fibre scheme.
2 cl, 11 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Настоящее техническое решение относится к области вычислительной техники, в частности, к способам генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.The present technical solution relates to the field of computer technology, in particular, to methods for generating ultrashort pulses with neodymium fiber in the submicron range in an all-fiber circuit.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога, WO2009076967(A1), опубл. 25.06.2009 г. Данное решение относится к волоконной лазерной системе с синхронизацией мод, выполненной с полосой пропускания генерации и имеющей линейный резонатор, причем упомянутый резонатор содержит усиливающую среду, насыщающийся поглотитель, имеющий мощность насыщения, и фильтр, имеющий спектральную характеристику, при этом указанный волоконный лазер с синхронизацией мод. Система устроена таким образом, что можно получить режим работы с синхронизацией мод вместе с непрерывным излучением (CW) при плотности энергии менее чем три раза от плотности энергии насыщения насыщаемого поглотителя.The prior art solution, selected as the closest analogue, WO2009076967(A1), publ. 06/25/2009 This solution relates to a mode-locked fiber laser system made with a generation passband and having a linear resonator, moreover, said resonator contains an amplifying medium, a saturable absorber having a saturation power, and a filter having a spectral response, while the specified mode-locked fiber laser. The system is designed in such a way that it is possible to obtain mode-locked operation together with continuous wave (CW) at an energy density less than three times the saturation energy density of the saturable absorber.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных решений тем, что предложенный способ обеспечивает генерацию ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.The proposed technical solution is aimed at eliminating the shortcomings of the state of the art and differs from the known solutions in that the proposed method provides the generation of ultrashort pulses with neodymium fiber in the submicron range in an all-fiber circuit.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное решение, является создание способа генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.The technical problem to be solved by the claimed solution is the creation of a method for generating ultrashort pulses with neodymium fiber in the submicron range in an all-fiber scheme.

Технический результат заключается в генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме.EFFECT: generation of ultrashort pulses with neodymium fiber in the submicron range in an all-fiber circuit.

Заявленный результат достигается за счет осуществления способа генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме, содержащего этапы, на которых:The claimed result is achieved through the implementation of a method for generating ultrashort pulses with neodymium fiber in the submicron range in an all-fiber scheme, containing the steps in which:

посредством диода накачивают 1,3 -метровое одномодовое PM (одномодовое волокно с сохранением поляризации) волокно, легированное неодимом с поглощением сердцевины через спектральный уплотнитель с разделением по длине волны 800 нм/920 нм (WDM), причем с одной стороны резонатор заканчивается чирпированной волоконной брэгговской решеткой (CFBG) с дисперсией групповой задержки, используемой для компенсации большой нормальной дисперсии волокон внутри резонатора, при этом CFBG служит полосовым оптическим фильтром с центральной длиной волны 920 нм и профилем Гаусса, осуществляя определение длины волны лазерного излучения, при этом для получения синхронизации мод на наконечнике коннектора на другом конце линейного резонатора устанавливается насыщающийся поглотитель на основе полупроводникового зеркала (SESAM), причем линейная поляризация обеспечивается поляризатором внутри схемы.a 1.3-meter single-mode PM (polarization-maintaining single-mode fiber) neodymium-doped fiber with core absorption is pumped by a diode through an 800 nm / 920 nm wavelength division multiplexer (WDM), with the resonator terminated on one side with a chirped Bragg fiber grating (CFBG) with a group delay dispersion used to compensate for the large normal dispersion of the fibers inside the resonator, while the CFBG serves as a band-pass optical filter with a center wavelength of 920 nm and a Gaussian profile, determining the wavelength of laser radiation, while obtaining mode locking on A saturable semiconductor mirror absorber (SESAM) is mounted on the connector tip at the other end of the linear resonator, with linear polarization provided by a polarizer inside the circuit.

В частном варианте реализации описываемого способа, реализуется дополнительный спектральный фильтр для фильтрации излучения на 1064 нм и пропускания в области ниже микрона.In a particular embodiment of the described method, an additional spectral filter is implemented to filter the radiation at 1064 nm and transmit in the region below a micron.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемым чертежом, который представлен для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивает область изобретения. К заявке прилагается следующие чертежи:The implementation of the invention will be described hereinafter in accordance with the accompanying drawing, which is presented to explain the essence of the invention and does not limit the scope of the invention in any way. The following drawings are attached to the application:

Фиг. 1 - Линейная схема волоконного лазера с синхронизацией мод.Fig. 1 - Linear scheme of a mode-locked fiber laser.

Фиг. 2 - Порог синхронизации мод и эффективность лазера.Fig. 2 - Mode locking threshold and laser efficiency.

Фиг. 3 - Спектр выходного импульса лазера на 920 нм, отсутствие признаков усиленного спонтанного излучения (УСИ) на 1064 нм.Fig. 3 - Spectrum of the laser output pulse at 920 nm, no signs of amplified spontaneous emission (ASE) at 1064 nm.

Фиг. 4 - Карта полученных режимов лазерной генерации для различной полной дисперсий и выходных мощностей.Fig. 4 - Map of the obtained lasing regimes for various total dispersions and output powers.

Фиг. 5 - Гармоническая синхронизации мод 1-го, 6 -го и 12-го порядка при почти нулевой полной дисперсии.Fig. 5 - Harmonic mode locking of the 1st, 6th and 12th order with almost zero total dispersion.

Фиг. 6 - Спектры выходных импульсов для различной полной дисперсии резонатора.Fig. 6 - Spectra of output pulses for different total dispersion of the resonator.

Фиг. 7 - Энергия импульса (коричневый цвет) и ширина импульса (зеленый цвет) при различной полной дисперсии. Для наведения представлены линии, соединяющие точки.Fig. 7 - Pulse energy (brown) and pulse width (green) at different total dispersion. For guidance, lines connecting points are presented.

Фиг. 8 - Экспериментальный спектр импульсов для разных мощностей накачки при аномальной полной дисперсии.Fig. 8 - Experimental spectrum of pulses for different pump powers with anomalous total dispersion.

Фиг. 9 - Расчетный спектр импульсов для разных мощностей накачки при аномальной полной дисперсии.Fig. 9 - Calculated spectrum of pulses for different pump powers with anomalous total dispersion.

Фиг. 10 - Сравнение экспериментальной и расчетной спектральной и временной ширины импульса.Fig. 10 - Comparison of the experimental and calculated spectral and temporal pulse widths.

Фиг. 11 - Динамика энергии импульса, спектральной и временной ширины внутри резонатора лазера.Fig. 11 - Dynamics of pulse energy, spectral and time width inside the laser cavity.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.In the following detailed description of the implementation of the invention, numerous implementation details are provided to provide a clear understanding of the present invention. However, one skilled in the art will appreciate how the present invention can be used, both with and without these implementation details. In other instances, well-known methods, procedures, and components have not been described in detail so as not to unnecessarily obscure the features of the present invention.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.Furthermore, it will be clear from the foregoing that the invention is not limited to the present implementation. Numerous possible modifications, changes, variations and substitutions that retain the spirit and form of the present invention will be apparent to those skilled in the subject area.

Настоящее техническое решение основано на всестороннем исследовании генерации ультракоротких импульсов в полностью волоконном лазере, легированным неодимом и с сохранением поляризации, с компенсацией дисперсии на длине волны 920 нм. Волоконная чирпированная Береговская решетка была использована в схеме линейного лазера для компенсации большой нормальной дисперсии волокон. Он также используется в качестве спектрального фильтра для выбора длины волны лазерного излучения и в качестве выходного полупрозрачного зеркала с 25% отражением. Полупроводниковое насыщающееся поглощающее зеркало (SESAM) используется для получения синхронизации мод и в качестве второго глухого зеркала. Полная фильтрация излучения 1064 нм обеспечивается спектральным уплотнителем с разделением по длинам волн 920/1064. Численно и экспериментально исследовалась самозапускающаяся генерация ультракоротких импульсов в диапазоне полной дисперсии от положительной 0,24 пс2 до отрицательной 0,05 пс2 путем изменения длины резонатора. Кроме того, управление дисперсией позволяет генерировать гармоническую синхронизацию мод до 12-го порядка при достаточно близкой к нулю полной дисперсии и для внутрирезонаторных мощностей, ограниченных порогом разрушения SESAM. Численное моделирование использовалось для оптимизации схемы лазерного резонатора и исследования внутрирезонаторной динамики импульса.The present technical solution is based on a comprehensive study of the generation of ultrashort pulses in a polarization-maintaining, all-fiber, neodymium-doped, dispersion-compensated laser at a wavelength of 920 nm. A chirped fiber Bereg grating was used in the line laser circuit to compensate for the large normal dispersion of the fibers. It is also used as a spectral filter for laser wavelength selection and as an output translucent mirror with 25% reflectance. A semiconductor saturable absorption mirror (SESAM) is used to obtain mode locking and as a second blind mirror. Complete filtering of 1064 nm radiation is provided by a 920/1064 wavelength splitter. Self-triggered generation of ultrashort pulses in the range of total dispersion from positive 0.24 ps 2 to negative 0.05 ps 2 was studied numerically and experimentally by changing the cavity length. In addition, dispersion control makes it possible to generate harmonic mode locking up to the 12th order at a sufficiently close to zero total dispersion and for intracavity powers limited by the destruction threshold of SESAM. Numerical simulation was used to optimize the laser resonator circuit and study the intracavity pulse dynamics.

Настоящее техническое решение впервые раскрывает генерацию ультракоротких импульсов, управляемых дисперсией, в полностью волоконном лазере, легированном неодимом, на длине волны 920 нм, содержащем чирпированную волоконную Береговскую решетку (ВБР) для компенсации дисперсии и SESAM в схеме линейного резонатора. Кроме того, управлением дисперсией была достигнута гармоническая синхронизация мод до 12 -го порядка с частотой повторения импульсов 0,43 ГГц при довольно близкой к нулю полной дисперсией для внутрирезонаторных мощностей ниже порога деградации SESAM.The present technical solution for the first time discloses the generation of ultrashort dispersion-controlled pulses in a neodymium-doped all-fiber laser at a wavelength of 920 nm, containing a chirped fiber Coast grating (FBG) for dispersion compensation and SESAM in a linear resonator circuit. In addition, dispersion control achieved harmonic mode locking up to the 12th order with a pulse repetition rate of 0.43 GHz with a fairly close to zero total dispersion for intracavity powers below the SESAM degradation threshold.

Фиг. 1 - Линейная схема волоконного лазера с синхронизацией мод: ВБР - волоконная брэгговская решетка, WDM - спектральный уплотнитель, LD - лазерный диод, SESAM - полупроводниковое зеркало с насыщающимся поглотителем.Fig. 1 - Linear scheme of a mode-locked fiber laser: FBG - fiber Bragg grating, WDM - spectral multiplexer, LD - laser diode, SESAM - semiconductor mirror with saturable absorber.

Фиг. 2 - Порог синхронизации мод и эффективность лазера.Fig. 2 - Mode locking threshold and laser efficiency.

Фиг. 3 - Спектр выходного импульса лазера на 920 нм, отсутствие признаков усиленного спонтанного излучения (УСИ) на 1064 нм (Экспериментальные и численные спектры импульсов с аппроксимацией по Гауссу при аномальной полной дисперсии).Fig. 3 - Spectrum of the laser output pulse at 920 nm, no signs of amplified spontaneous emission (ASE) at 1064 nm (Experimental and numerical spectra of pulses with Gaussian approximation with anomalous total dispersion).

Схема линейного лазера, использованная для получения синхронизации мод, показана на фигуре 1. Здесь диод 808 нм (LU0808M250 Lumics) накачивает 1,3 -метровое одномодовое PM волокно, легированное неодимом (CorActive ND 103-PM) с поглощением сердцевины ≈ 40 дБ/м на 808 нм через спектральный уплотнитель с разделением по длине волны 800 нм/920 нм (WDM). С одной стороны резонатор заканчивается чирпированной волоконной брэгговской решеткой (CFBG, TeraXion) с дисперсией групповой задержки 0,19 пс2, используемой для компенсации большой нормальной дисперсии волокон внутри резонатора. Он обеспечивает 25% отражения, и 75% отправляет на выход лазера. CFBG также служит полосовым оптическим фильтром с центральной длиной волны 920 нм и профилем Гаусса с полосой пропускания 10 нм при 3 дБ (см. фиг. 1), таким образом определяя длину волны лазерного излучения. Для получения синхронизации мод использовался SESAM (BATOP GmbH), установленный на наконечнике коннектора на другом конце линейного резонатора. SESAM изготовлен на длину волны 920 нм с глубиной модуляции 15 %, временем релаксации 0,5 пс и плотностью энергии насыщения 30 мкДж/см 2. Линейная поляризация лазерного излучения обеспечивается линейным гибридным компонентом поляризатор/WDM-1064/920, который также обеспечивает полную фильтрацию более эффективного усиленного спонтанного излучения Nd-волокна на 1064 нм. Общая длина резонатора с полным обходом в случае самой короткой лазерной схемы составляет 4,0 м, что в сочетании с CFBG дает -0,05 пс2 полной аномальной дисперсии резонатора. Дальнейшая регулировка дисперсии осуществлялась путем изменения длины пассивного волокна с нормальной дисперсией β 2 = +35 пс2 /км между SESAM и 800/920 WDM. Стабильная самозапускающаяся генерация импульсов достигается, начиная с мощности накачки 100 мВт , с КПД 9%, в то время как при более низких мощностях накачки лазер производит непрерывное излучение (CW) с несколько меньшей эффективностью, что можно объяснить более высокими потерями SESAM в CW, чем в режиме синхронизации мод (см. фиг. 2). Спектр импульса в большом масштабе показан на фиг. 2 без каких-либо признаков паразитного УСИ (ASE) неодимового волокна на длине волны 1064 нм. Спектр излучаемого импульса при аномальной полной дисперсии имеет гауссов профиль (см. фиг. 3), что подтверждается численным моделированием, которое будет обсуждаться позже).The line laser circuitry used to achieve mode locking is shown in Figure 1. Here, an 808 nm diode (LU0808M250 Lumics) pumps a 1.3 m neodymium-doped single-mode PM fiber (CorActive ND 103-PM) with a core absorption of ≈40 dB/m at 808 nm through a 800 nm/920 nm wavelength division multiplexer (WDM). On one side, the resonator ends with a chirped fiber Bragg grating (CFBG, TeraXion) with a group delay dispersion of 0.19 ps 2 used to compensate for the large normal dispersion of the fibers inside the resonator. It provides 25% reflection, and sends 75% to the laser output. The CFBG also serves as a bandpass optical filter with a center wavelength of 920 nm and a Gaussian profile with a bandwidth of 10 nm at 3 dB (see FIG. 1), thus determining the wavelength of the laser light. To obtain mode locking, SESAM (BATOP GmbH) was used, mounted on the connector tip at the other end of the linear resonator. The SESAM is manufactured at 920 nm with a modulation depth of 15%, a relaxation time of 0.5 ps, and a saturation energy density of 30 µJ/cm2. more efficient amplified spontaneous emission of Nd fiber at 1064 nm. The total length of the resonator with a full bypass in the case of the shortest laser scheme is 4.0 m, which, in combination with CFBG, gives -0.05 ps 2 of the total anomalous dispersion of the resonator. Further dispersion adjustment was carried out by changing the length of the normal dispersion passive fiber β 2 = +35 ps 2 /km between SESAM and 800/920 WDM. Stable self-triggering pulse generation is achieved starting from a pump power of 100 mW, with an efficiency of 9%, while at lower pump powers the laser produces continuous wave (CW) radiation with somewhat lower efficiency, which can be explained by the higher losses of SESAM in CW than in mode locking mode (see Fig. 2). The pulse spectrum is shown on a large scale in Fig. 2 without any evidence of neodymium fiber ASE at 1064 nm. The spectrum of the emitted pulse with anomalous total dispersion has a Gaussian profile (see Fig. 3), which is confirmed by numerical simulation, which will be discussed later).

Характеризация импульсной генерации осуществляется с помощью следующих приборов: Yokogawa AQ6373 OSA, фотодетектор ThorLabs InGaAs DET08CFC и осциллограф Tektronix MDO3102 1 ГГц, автокоррелятор Femtochrome FR-103WS, фотодиодный измеритель мощности ThorLabs S132C.Pulse generation characterization is performed using the following instruments: Yokogawa AQ6373 OSA, ThorLabs InGaAs DET08CFC photodetector and Tektronix MDO3102 1 GHz oscilloscope, Femtochrome FR-103WS autocorrelator, ThorLabs S132C photodiode power meter.

Фиг. 4 - Карта полученных режимов лазерной генерации для различной полной дисперсий и выходных мощностей.Fig. 4 - Map of the obtained lasing regimes for various total dispersions and output powers.

Фиг. 5 - Гармоническая синхронизации мод 1-го, 6 -го и 12-го порядка при почти нулевой полной дисперсии.Fig. 5 - Harmonic mode locking of the 1st, 6th and 12th order with almost zero total dispersion.

Когда полная дисперсия приближается к нулю, ее относительно небольшое изменение может привести к существенному изменению режима генерации импульсов. В данном эксперименте варьировали полную дисперсию резонатора в пределах -0,05 пс 2 ÷ 0,24 пс 2 и проанализировали на карте режимы импульсной генерации в зависимости от внутрирезонаторной мощности и соответствующей выходной мощности, которая представлена на фиг. 4. Внутрирезонаторная мощность ограничена порогом деградации SESAM, равной средней мощности 10 мВт, поэтому на выходе устанавливается предел 7 мВт. Приближаясь к нулевой полной дисперсии с отрицательной стороны, порог генерации импульса и порог расщепления солитона уменьшаются в соответствии с теоремой площадей. Это приводит к снижению максимально достижимой энергии импульса. При нулевой полной дисперсии генерации импульсов не наблюдается. Типично, существенно больше глубины модуляции требуется для достижения стабильной синхронизации мод. В соответствии с нашим численным моделированием необходимо иметь 30% глубины модуляции, однако на эксперименте она равна 15%. При слегка положительной дисперсии около +0,006 пс2 система стремится генерировать в режиме гармонической синхронизации мод с минимальной энергией импульса. Нам удалось достичь 12 -й гармоники с частотой повторения 0,43 ГГц, ограниченной порогом повреждения SESAM, см. фиг. 5. Дальнейшее увеличение в сторону положительной полной дисперсии расширяет диапазон внутрирезонаторной мощности, поддерживающий генерацию одиночных импульсов. В то же время переход от одиночных импульсов к второй гармонике происходит через режим модуляции добротности (QML). Для длинных резонаторов, начиная с полной дисперсии 0,15 пс2, импульсы демонстрируют поведение, более типичное для диссипативных солитонов, с плоской вершиной спектра, сильно чирпированными импульсами и большим диапазоном по мощности одиночных импульсов. При дисперсии более 0,24 пс2 не удалось наблюдать синхронизацию мод при допустимой максимальной внутрирезонаторной мощности лазера.When the total dispersion approaches zero, a relatively small change in it can lead to a significant change in the pulse generation mode. In this experiment, the total dispersion of the resonator was varied within -0.05 ps 2 ÷ 0.24 ps 2 and the modes of pulse generation were analyzed on the map depending on the intracavity power and the corresponding output power, which is shown in Fig. 4. Intracavity power is limited by the SESAM degradation threshold of 10mW average power, so the output is limited to 7mW. Approaching zero total dispersion from the negative side, the pulse generation threshold and the soliton splitting threshold decrease in accordance with the area theorem. This leads to a decrease in the maximum achievable pulse energy. At zero total dispersion, no pulse generation is observed. Typically, substantially more modulation depth is required to achieve stable mode locking. According to our numerical simulations, it is necessary to have 30% of the modulation depth, but in the experiment it is 15%. With a slightly positive dispersion of about +0.006 ps 2 , the system tends to generate in harmonic mode locking with minimum pulse energy. We were able to achieve the 12th harmonic with a repetition rate of 0.43 GHz, limited by the SESAM damage threshold, see FIG. 5. Further increase towards positive total dispersion expands the intracavity power range supporting single pulse generation. At the same time, the transition from single pulses to the second harmonic occurs through the Q-switched (QML) mode. For long cavities, starting from a total dispersion of 0.15 ps 2 , the pulses exhibit a behavior more typical of dissipative solitons, with a flat top of the spectrum, highly chirped pulses, and a large single pulse power range. With a dispersion of more than 0.24 ps2, it was not possible to observe mode locking at the admissible maximum intracavity laser power.

Спектральные измерения показывают резкие изменения спектров импульсов для различных полных дисперсий резонатора (см. фиг. 6). Для длинных резонаторов общая нормальная дисперсия волокна в несколько раз превышает аномальную дисперсию ВБР (CFBG), таким образом результирующая полная дисперсия остается высоко положительной. Сформированный импульс покидает резонатор, распространяясь через CFBG без компенсации дисперсии в конце полного обхода, и его спектр приобретает форму, характерную для диссипативного солитона. Увеличение длины резонатора приводит к сужению спектра импульса. Для коротких резонаторов, с аномальной полной дисперсией, форма спектра импульса на выходе получаются ближе к гауссу (см. фиг. 2), внутрирезонаторная динамика которых будет обсуждаться далее). Все перечисленные характеристики импульса хорошо согласуются с поведением солитона управляемый дисперсией, за исключением наибольшего случая нормальной дисперсии 0,15 ÷ 0,24 пс2, где наблюдается диссипативные солитоны.Spectral measurements show sharp changes in the pulse spectra for various total cavity dispersions (see Fig. 6). For long cavities, the total normal dispersion of the fiber is several times the anomalous dispersion of the FBG (CFBG), so the resulting total dispersion remains highly positive. The generated pulse leaves the resonator, propagating through the CFBG without dispersion compensation at the end of a complete round trip, and its spectrum acquires a shape characteristic of a dissipative soliton. Increasing the resonator length narrows the pulse spectrum. For short resonators, with anomalous total dispersion, the shape of the output pulse spectrum is closer to Gaussian (see Fig. 2), the intracavity dynamics of which will be discussed below). All of the listed characteristics of the pulse are in good agreement with the behavior of a dispersion-controlled soliton, except for the largest case of normal dispersion 0.15 ÷ 0.24 ps 2 , where dissipative solitons are observed.

Энергия импульса и ширина импульса как функция полной дисперсии резонатора представлены на фигуре 7. Как описывалось ранее, наименьшая энергия импульса 12 пДж наблюдается вблизи нулевой дисперсии и увеличивается по мере удаления от этой точки. Для наибольшей нормальной и аномальной дисперсии энергия импульса ограничена порогом разрушения SESAM (см. фиг. 7, черная пунктирная линия). Напротив, ширина импульса демонстрирует монотонный рост при переходе от отрицательной к положительной дисперсии (см. фиг. 7, зеленая кривая). Распространяясь по оптическим волокнам с нормальной дисперсией, импульс накапливает положительный чирп. На выходе лазера CFBG не влияет на чирп импульса при прохождении через него, а при отражении CFBG компенсирует дисперсию и даже может менять знак чирпа импульса. Таким образом, выходной импульс всегда имеет положительный чирп, который пропорционален длительности импульса и становится больше с увеличением длины резонатора. Полученные импульсы достигают ширины 1,8 пс при самой короткой схеме резонатора и превышают 50 пс при длине обхода 11,6 м.The pulse energy and pulse width as a function of the total resonator dispersion are presented in Figure 7. As previously described, the pulse energy of 12 pJ is at its lowest near zero dispersion and increases with distance from this point. For the largest normal and anomalous dispersion, the pulse energy is limited by the SESAM destruction threshold (see Fig. 7, black dotted line). On the contrary, the pulse width shows a monotonic increase from negative to positive dispersion (see Fig. 7, green curve). Propagating through optical fibers with normal dispersion, the pulse accumulates a positive chirp. At the output of the laser, CFBG does not affect the pulse chirp when passing through it, and upon reflection, CFBG compensates for dispersion and can even change the sign of the pulse chirp. Thus, the output pulse always has a positive chirp, which is proportional to the pulse duration and gets larger as the resonator length increases. The resulting pulses reach a width of 1.8 ps with the shortest resonator circuit and exceed 50 ps with a bypass length of 11.6 m.

Исследование динамики импульса и его внутрирезонаторное поведение для наиболее важного случая полной дисперсии -0,05 пс2, когда наблюдается самый короткий импульс и самая большая пиковая мощность. Для этого осуществлялся численный расчет с использованием уравнения Гинзбурга-Ландау для комплексной амплитуды на основе метода Фурье расщепления по физическим факторам (Split Step Fourier Method). Дисперсия и керровская нелинейность всех волокон взяты +35 пс 2 /км и 0,01 Вт 1 м -1 соответственно. Насыщающийся поглотитель SESAM моделируется с использованием стандартных скоростных уравнений. Распространение через CFBG рассчитывается путем умножения комплексного электрического поля на спектр отражения и коэффициент дисперсии в частотном пространстве. Усиление излучения в волокне, легированного неодимом, моделируется уравнением Гинзбурга-Ландау с насыщающимся усилением с параболической полосой усиления 50 нм, имеющей максимум при 905 нм, и мощностью насыщения 20 мВт, которая оценивается по УСИ (ASE) Nd волокна в диапазоне 900 нм.Investigation of the pulse dynamics and its intracavity behavior for the most important case of total dispersion -0.05 ps 2 , when the shortest pulse and the highest peak power are observed. For this, a numerical calculation was carried out using the Ginzburg-Landau equation for the complex amplitude based on the Fourier splitting method for physical factors (Split Step Fourier Method). The dispersion and Kerr nonlinearity of all fibers are taken to be +35 ps 2 /km and 0.01 W 1 m -1, respectively. The SESAM saturable absorber is modeled using standard rate equations. Propagation through the CFBG is calculated by multiplying the complex electric field by the reflectance spectrum and the dispersion coefficient in frequency space. The radiation amplification in neodymium-doped fiber is modeled by the Ginzburg-Landau equation with saturable gain with a 50 nm parabolic gain band peaking at 905 nm and a saturation power of 20 mW, which is estimated from the ASE of the Nd fiber in the 900 nm range.

На фиг. 8, 9 показаны экспериментальные спектры импульсов и соответствующие расчеты для различных мощностей накачки, которые демонстрируют хорошее совпадение. Спектральная и временная ширина импульсов увеличивается с увеличением мощности, как показано на фиг. 10.In FIG. Figures 8 and 9 show the experimental pulse spectra and the corresponding calculations for various pump powers, which show good agreement. The spectral and temporal width of the pulses increases with increasing power, as shown in FIG. 10.

Фиг. 11. Динамика энергии импульса, спектральной и временной ширины внутри резонатора лазера.Fig. 11. Dynamics of pulse energy, spectral and time width inside the laser cavity.

Расчеты показывают, что длительность импульса вдоль резонатора постоянно меняется, см. фиг. 11. После отражения от CFBG с аномальной дисперсией импульс меняет знак чирпа с положительного на отрицательный, а затем, распространяясь по волокну с положительной дисперсией, меняет знак еще раз обратно. В этот момент импульс достигает минимальной ширины (нижняя панель) внутри резонатора ~600 фс, а также минимальной ширины спектра (верхняя панель), который также дышит в резонаторе. Такое поведение характерно для солитона управляемым дисперсией, который дважды меняет знак. Соответствующая энергия импульса показана на верхней панели черной линией. Видно, что импульс выходит из лазера вблизи максимальной энергии. Незначительное увеличение выходной энергии возможно, если фильтрующий 920/1060 WDM переместить в другое положение, но это приведет к значительному излучению ASE на 1060 нм. По максимальной выходной мощности существуют ограничения порога повреждения SESAM, и его можно значительно увеличить за счет дальнейшего усиления внешним усилителем или реализации насыщающегося поглотителя, не подвергающегося термической деградации.Calculations show that the pulse duration along the resonator is constantly changing, see Fig. 11. After reflection from the CFBG with anomalous dispersion, the pulse changes the sign of the chirp from positive to negative, and then, propagating through the fiber with positive dispersion, changes sign back again. At this moment, the pulse reaches the minimum width (lower panel) inside the resonator ~600 fs, as well as the minimum width of the spectrum (upper panel), which also breathes in the resonator. This behavior is typical for a dispersion-controlled soliton that changes sign twice. The corresponding pulse energy is shown in the top panel as a black line. It can be seen that the pulse exits the laser near the maximum energy. A slight increase in output energy is possible if the 920/1060 WDM filter is moved to a different position, but this will result in significant ASE emission at 1060 nm. There are limits to the SESAM damage threshold for maximum output power, and this can be significantly increased by further amplification with an external amplifier or by implementing a saturable absorber that does not undergo thermal degradation.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает генерацию ультракоротких импульсов управляемые дисперсией на длине волны 920 нм в полностью волоконном лазере, легированном неодимом и с сохранением поляризации, за счет разработанной схемы линейного лазера с волоконной чирпированной брэгговской решеткой в качестве полупрозрачного выходного зеркала и SESAM в качестве второго глухого зеркала. Компенсация дисперсии с чирпированной волоконной брэгговской решеткой позволила продемонстрировать различные режимы импульса в зависимости от полной дисперсии. Решение позволяет получать импульсы с энергией 132 пДж и с длительностью 2 пс при частоте повторения 51 МГц при аномальной полной дисперсии, а также импульсы с энергией 14 пДж и с длительностью 5,5 пс при частоте повторения 430 МГц в режиме гармонической синхронизации мод при полной дисперсии близкой к нулю. Энергия импульса и максимальная частота повторения в режиме гармонической синхронизации мод ограничены порогом повреждения SESAM и могут быть значительно увеличены путем интегрирования термостабильного насыщающегося поглотителя.Thus, the proposed technical solution provides the generation of dispersion-controlled ultrashort pulses at a wavelength of 920 nm in an all-fiber laser doped with neodymium and maintaining polarization, due to the developed circuit of a linear laser with a fiber chirped Bragg grating as a semitransparent output mirror and SESAM as a second deaf mirror. Dispersion compensation with a chirped fiber Bragg grating made it possible to demonstrate different pulse modes depending on the total dispersion. The solution allows you to receive pulses with an energy of 132 pJ and a duration of 2 ps at a repetition rate of 51 MHz with anomalous total dispersion, as well as pulses with an energy of 14 pJ and with a duration of 5.5 ps at a repetition rate of 430 MHz in the mode of harmonic mode locking with total dispersion close to zero. The pulse energy and maximum repetition rate in harmonic mode locking are limited by the SESAM damage threshold and can be significantly increased by integrating a thermally stable saturable absorber.

Настоящее техническое решение содержит в себе следующие существенные отличия от известного уровня техники.This technical solution contains the following significant differences from the prior art.

В настоящем техническом решении используется фильтрующий элемент, позволяющий убрать генерацию на длине волны 1064, тем самым увеличивая эффективность усиления на 920 (а также из выходящего излучения не нужное свечение на 1064).This technical solution uses a filter element that allows you to remove generation at a wavelength of 1064, thereby increasing the gain efficiency by 920 (as well as an unnecessary glow from the output radiation by 1064).

Накачка предлагаемого лазера в отличие от известных направлена не в сторону SESAM, а в сторону CFBG, которая является прозрачной для оставшейся накачки, позволяя ей выйти наружу (в предлагаемом техническом решении все элементы (в том числе волокно) сохраняют поляризацию).The pumping of the proposed laser, unlike the known ones, is directed not towards SESAM, but towards CFBG, which is transparent to the remaining pumping, allowing it to go outside (in the proposed technical solution, all elements (including fiber) retain polarization).

Все элементы в настоящем техническом решении волоконные.All elements in this technical solution are fiber.

Компенсация дисперсии в настоящем техническом решении осуществляется чирпированной волоконной решеткой.Dispersion compensation in the present technical solution is carried out by a chirped fiber grating.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.In these application materials, a preferred disclosure of the implementation of the claimed technical solution was presented, which should not be used as limiting other, private embodiments of its implementation, which do not go beyond the scope of the requested legal protection and are obvious to specialists in the relevant field of technology.

Claims (2)

1. Способ генерации ультракоротких импульсов с неодимовым волокном в субмикронном диапазоне в полностью волоконной схеме, содержащий этапы, на которых: посредством диода накачивают 1,3-метровое одномодовое PM волокно, легированное неодимом с поглощением сердцевины через спектральный уплотнитель с разделением по длине волны 800 нм/920 нм (WDM), причем с одной стороны резонатор заканчивается чирпированной волоконной брэгговской решеткой (CFBG) с дисперсией групповой задержки, используемой для компенсации большой нормальной дисперсии волокон внутри резонатора, при этом CFBG служит полосовым оптическим фильтром с центральной длиной волны 920 нм и профилем Гаусса, осуществляя определение длины волны лазерного излучения, при этом для получения синхронизации мод на наконечнике коннектора на другом конце линейного резонатора устанавливается насыщающийся поглотитель на основе полупроводникового зеркала (SESAM), причем линейная поляризация обеспечивается поляризатором внутри схемы.1. A method for generating ultrashort pulses with neodymium fiber in the submicron range in an all-fiber scheme, comprising the steps of: pumping a 1.3-meter single-mode PM fiber doped with neodymium with core absorption through a spectral compressor with a wavelength division of 800 nm by means of a diode /920 nm (WDM), and on one side the resonator ends with a chirped fiber Bragg grating (CFBG) with a group delay dispersion used to compensate for the large normal dispersion of the fibers inside the resonator, while the CFBG serves as a bandpass optical filter with a center wavelength of 920 nm and a profile Gauss, by determining the wavelength of laser radiation, while in order to obtain mode locking at the tip of the connector, a saturable absorber based on a semiconductor mirror (SESAM) is installed at the other end of the linear resonator, with linear polarization provided by a polarizer inside the circuit. 2. Способ по п.1, в котором реализуется дополнительный спектральный фильтр для фильтрации излучения на 1064 нм и пропускания в области ниже микрона. 2. The method according to claim 1, in which an additional spectral filter is implemented to filter radiation at 1064 nm and transmit in the region below a micron.
RU2023103598A 2023-02-16 Generation of ultrashort pulses in submicron region of the spectrum on neodymium fibre in all-fibre circuit RU2801363C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2801363C1 true RU2801363C1 (en) 2023-08-08

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10302785A1 (en) * 2003-01-24 2004-08-19 Menlo Systems Gmbh Fiber optic laser resonator for optical coherence tomography has a polarization control unit with which the polarization direction in the resonator can be actively adjusted
WO2009076967A1 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 Koheras A/S Mode-locked fiber laser with improved life-time of saturable absorber
RU2450399C2 (en) * 2004-12-16 2012-05-10 Фектроникс Аг Method of generating output laser light with required characteristic, laser system and vehicle having laser system
RU2012130199A (en) * 2012-07-16 2014-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" ООО "Техноскан-Лаб" RAMANOVSK PULSE LASER
RU2564517C2 (en) * 2014-01-10 2015-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" (ООО "Техноскан-Лаб") Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions)
RU2686665C2 (en) * 2014-09-16 2019-04-30 Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн Broadband red light generator for rgb-display
CN211265955U (en) * 2020-01-09 2020-08-14 西北大学 Adjustable ultra-high repetition frequency ultra-short pulse fiber laser

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10302785A1 (en) * 2003-01-24 2004-08-19 Menlo Systems Gmbh Fiber optic laser resonator for optical coherence tomography has a polarization control unit with which the polarization direction in the resonator can be actively adjusted
RU2450399C2 (en) * 2004-12-16 2012-05-10 Фектроникс Аг Method of generating output laser light with required characteristic, laser system and vehicle having laser system
WO2009076967A1 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 Koheras A/S Mode-locked fiber laser with improved life-time of saturable absorber
RU2012130199A (en) * 2012-07-16 2014-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" ООО "Техноскан-Лаб" RAMANOVSK PULSE LASER
RU2564517C2 (en) * 2014-01-10 2015-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Техноскан-Лаб" (ООО "Техноскан-Лаб") Passively mode-locked fibre pulsed linear laser (versions)
RU2686665C2 (en) * 2014-09-16 2019-04-30 Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн Broadband red light generator for rgb-display
CN211265955U (en) * 2020-01-09 2020-08-14 西北大学 Adjustable ultra-high repetition frequency ultra-short pulse fiber laser

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MKRTCHYAN A.A. et al. Nd-Doped Polarization Maintaining All-Fiber Laser With Dissipative Soliton Resonance Mode-Locking at 905 nm // Journal of Lightwave Technology, vol. 39, no. 17, pp. 5582-5588, 1 Sept.1, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3085538. *
НГИА Н.Т., ХАО Н.В., ОРЛОВИЧ В.А., ХУНГ Н.Д. Генерация наносекундных импульсов с частотой повторения 2.2МГц в Nd3+: YVO4-лазере с непрерывной диодной накачкой, работающем в режиме пассивной модуляции добротности // Квантовая электроника, 2011, том 41, номер 9, с.790-793. *
формула. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5449648B2 (en) An inexpensive repetitive period variable light source for high energy ultrafast lasers.
Zhang et al. SESAM mode-locked, environmentally stable, and compact dissipative soliton fiber laser
Zheng et al. Low mode-locking threshold and sub-90 fs Er-doped Mamyshev oscillator
Li et al. Harmonic dissipative soliton resonance in an Er/Yb co-doped fiber laser based on SESAM
Ma et al. Observation and optimization of 2 μm mode-locked pulses in all-fiber net anomalous dispersion laser cavity
Barmenkov et al. Pulsed regimes of erbium-doped fiber laser Q-switched using acousto-optical modulator
Guo et al. Passively Q-switched fiber laser with single and double wavelength switching based on parallel FBGs
RU2801363C1 (en) Generation of ultrashort pulses in submicron region of the spectrum on neodymium fibre in all-fibre circuit
Chen et al. Wavelength-Tunable Er $^{3+} $-Doped fs Mode-Locked Fiber Laser Using Short-Pass Edge Filters
Anjum et al. All-fiber nonlinear multimode interference saturable absorber in reflection mode
Zhou et al. All-fiber gain-switched thulium-doped fiber laser pumped by 1.558 μm laser
Chen et al. Fundamentally mode-locked 3 GHz femtosecond erbium fiber laser
RU162919U1 (en) COMPACT RING ERBIUM FIBER LASER WITH MOD SYNCHRONIZATION BASED ON A HIGH NONLINEAR LIGHT FILTER
Cuadrado-Laborde et al. Passively modelocked All-PM thulium-doped fiber laser at 2.07 μm
Gao et al. Dissipative soliton fiber laser mode-locked by Cesium lead halide perovskite quantum dots
Li et al. Dissipative Soliton Resonance in a Wavelength-Tunable L-Band Figure-Eight Fiber Laser
Rochette et al. Modelocked Tm-doped Fiber Laser Using Multimode Interference Saturable Absorber in Reflection Mode
EP4274037A1 (en) All-fiber laser oscillator generating ultrashort pulses and its applications
Kotb et al. Peak power optimization of optical pulses using low-doped gain-medium in femtosecond fiber laser
Gou et al. SESAM-based ring-cavity all-normal-dispersion tunable ytterbium mode-locked fiber laser
Kudelin et al. Square pulse and harmonic ultrashort pulse generation in semiconductor optical amplifier-based Mamyshev oscillator
Han et al. Linewidth broadening in single-mode sub-kHz fiber ring laser with unpumped Er-doped Sagnac loop
Zhang et al. An All-Fiber Mode-Locked Pulse Laser Based on Acoustically-Induced Fiber Grating
Yasunaka et al. 87-nm bandwidth noise-like pulse generation from Erbium-doped fiber laser
Cáceres-Pablo et al. Real-Time Transition Dynamics of Harmonically Mode-Locked Femtosecond Ultralong Ring Fiber Lasers