Новости фотоники: первый волоконный фемтосекундный лазер в видимом диапазоне

Оригинал статьи: Visible femtosecond fiber laser. Optics Letters Vol. 48, Issue 14, pp. 3709-3712 (2023)
Авторы: Marie-Pier Lord, Michel Olivier, Martin Bernier, and Réal Vallée

Ключевые слова: фемтосекундный лазер, волоконный лазер, видимый диапазон, оптические волокна, легированные лантаноидами.

Введение

Фемтосекундные волоконные лазеры произвели революцию в отрасли лазерных технологий благодаря сверхкоротким импульсам высокой яркости, а также компактным и надёжным схемам реализации. В описанной ниже статье приведён пример первого (насколько это известно на данный момент) фемтосекундного волоконного лазера, работающего в видимом спектре.

Рис. 1. Формирование паттернов in situ* и управление живыми клетками с помощью фемтосекундного лазера.
*В биологии in situ значит рассмотрение явления именно в том месте, где оно происходит. 

Недавнее появление источников накачки на основе полупроводников, работающих в синем диапазоне спектра, таких как лазерные диоды нитрида галлия (GaN), обеспечило недорогой и эффективный способ накачать волокна, легированные лантаноидами, для получения прямого излучения в видимом диапазоне. Соответственно, в течение последнего десятилетия были достигнуты значительные успехи в разработке непрерывных лазеров, излучающих в видимом диапазоне. На сегодняшний день выходная мощность для таких лазеров составляет 2-3 Вт для работы в одномодовом режиме (рис. 2) и 5 Вт для многомодового излучения. 

Рис.2.: Экспериментальная установка лазерного резонатора**.
**2.3 W monolithic fiber laser operating in the visible. Optics Letters Vol. 46, Issue 10, pp. 2392-2395 (2021)

Демонстрация волоконных лазеров видимого диапазона в основном была достигнута с использованием фторированного стекла в качестве основной среды из-за его низкой энергии фононов, которая предотвращает безызлучательный фононный распад. Электронная конфигурация Dy³⁺ (диспрозий) и Sm³⁺ (самарий) позволила реализовать лазер видимого излучения в кварцевых волокнах с более высокой фононной энергией, однако такие демонстрации затруднены из-за проблем с фотозатемнением.

Реализация схемы лазера

Авторы сообщают о разработке волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод на длине волны 635 нм. Кольцевой резонатор с пассивной синхронизацией мод основан на эволюции нелинейной поляризации (NPE) во фторированном одномодовом волокне, легированным Pr³⁺ празеозимом. Синхронизация мод осуществляется в режиме нормальной дисперсии. Сжатые импульсы при центральной длине волны 635 нм имеют продолжительность 168 фс, пиковую мощность 0,73 кВт и частоту следования 137 МГц.

Схема лазера на переходе ³P0→³F2 в Pr³⁺, изображена на рис.3. Лазер включает в себя  кольцевой резонатор, состоящий из активного волокна, и free-space секции, включающей четверть- и полуволновые пластины, оптический изолятор, поляризационный светоделитель и полосовой фильтр. Активное волокно представляет собой волокно длиной 90 см с двойной оболочкой (double clad), легированное Pr³⁺, из фторида циркония (ZrF₄), предоставленное компанией Le Verre Fluoré.

Сердцевина волокна легирована 0,6 мол.% Pr³⁺, имеет числовую апертуру NA=0,08, диаметр 5,5 мкм, что обеспечивает одномодовый режим на длине волны сигнала (λ_cutoff = 0.57 мкм). Первая оболочка имеет диаметр 125 мкм и круглую форму, разделенную двумя параллельными плоскостями, расстояние между которыми составляет 115 мкм. Вторая оболочка имеет толщину 180 мкм, числовую апертуру NA>0,5 и изготовлена из фторакрилата с низким индексом показателя преломления, что обеспечивает многомодовое распространение накачки вдоль первой оболочки оболочки.

Фоновые потери составляют ∼1,5 дБ/м в оболочке волокна на длине волны накачки и ∼0,2 дБ/м в сердцевине волокна на длине волны сигнала. Дисперсия групповой скорости (ДГС) волокна оценивается в 75 фс²/мм, что приводит к чистой дисперсии резонатора 0,068 пс². Оба конца волокна сколоты под углом 5°, чтобы избежать паразитных отражений, которые, как известно, вредны для режима синхронизации мод. Сигнал накачки обеспечивается многомодовым лазерным диодом (GaN) с длиной волны 445 нм (K450FA5FG-20.00W) с выводом в многомодовое волокно 105/125 мкм, NA = 0,22. Излучение накачки подается на оболочку активного волокна с помощью пары ахроматических линз (Thorlabs AC254-030-A-ML). Линза, используемая для подачи сигнала накачки в волокно, легированное Pr³⁺, также служит коллиматором красного выходного излучения и не имеет значительной хроматической аберрации.

Рис. 3.: Экспериментальная установка волоконного лазера.
BD — поглотитель лазерного пучка; DM – дихроичное зеркало; ISO/POL, поляризационный оптический изолятор; L-линза; М-зеркало; PBS – поляризационный светоделитель; TG – пропускающая решетка; λ/2 - полуволновая пластинка; λ/4 - четвертьволновая пластинка.

Та же модель линзы используется для повторной подачи красного излучения в сердцевину на дистальном конце волокна. Для закрытия кольца резонатора используются два дихроичных зеркала, расположенных под углом 45°. Для неполяризованного света они оба обеспечивают пропускание ~95 % на длине волны 445 нм и отражение 86% на длине волны 635 нм. Для достижения и поддержания режима синхронизации мод с помощью эволюции нелинейной поляризации в активном волокне используются две четвертьволновые пластины (Thorlabs WPQ10E-633), полуволновая пластина (Thorlabs WPH10E-633), поляризационный оптический изолятор (Thorlabs IO-5-633). -VLP), а внутри резонатора размещен полосовой фильтр (Thorlabs FLH633-5). Оптический изолятор действует как поляризатор, обеспечивая однонаправленное распространение лазера в резонаторе, который на рис. 3 расположен против часовой стрелки. Для работы лазера в режиме синхронизации мод используется полосовой фильтр гауссовой формы. Его центр находится на длине волны 634 нм, а ширина полосы пропускания составляет 5 нм. Этот фильтр также гарантирует, что лазер будет основан на переходе 635 нм, а не на переходах 615 нм или 700 нм. Выходная связь обеспечивается поляризационным светоделителем и управляется с помощью полуволновой пластинки. Длина свободного участка распространения излучения в резонаторе лазера составляет 82 см. За пределами резонатора излучение лазера направляется с помощью двух металлических зеркал в каскад двухпроходного сжатия, который состоит из двух объемно-фазовых голографических пропускающих решеток (Thorlabs GP1006G), разнесённых на 12 см и наклоненного металлического зеркала для получения излучения на выходе №2 (Output 2).

Результаты эксперимента

При инжектируемой мощности накачки 14 Вт на длине волны 445 нм и правильной ориентации волновых пластин достигается устойчивый и самозапускающийся режим синхронизации мод. Свойства лазера впервые характеризуются перед стадией сжатия, т.е. на выходе №1 (output 1) на рис. 3. Временные свойства лазера измеряются с помощью фотодетектора 2 ГГц (Thorlabs DET025A/M). Последовательность импульсов показана на рис. 4(а). На рисунке 4(b) представлен радиочастотный спектр, полученный с разрешением 50 Гц в диапазоне 20 кГц. Основная частота повторения составляет 137,123 МГц, что соответствует периоду последовательности импульсов 7,3 нс, а также ожидаемой основной частоте повторения для этой длины резонатора. Отношение сигнал/шум (SNR) составляет 60 дБ и подтверждает стабильность лазера.

Рис.4.: (а) Последовательность импульсов лазера, измеренная фотодетектором с частотой 2 ГГц. Интервал между импульсами 7,3 нс. (б) Радиочастотный спектр лазера: разрешение 50 Гц; центральная частота f₀ = 137,123 МГц; отношение сигнал/шум, 60 дБ.

Спектральные свойства лазера измерялись с помощью анализатора оптического спектра (OSA) (Yokogawa AQ6373B). Синяя кривая на рис. 5(а) показывает нормированный выходной спектр, измеренный с разрешением 0,1 нм. Лазер излучает на длине волны 635 нм и имеет ширину полосы пропускания на полувысоте 7,1 нм. Измерение выходного спектра лазера в диапазоне 400–800 нм подтвердило, что красный выходной сигнал оставался более чем на 25 дБ выше, чем сигнал на любой другой длине волны. Средняя выходная мощность, измеренная для чирпированных импульсов, составляет 90 мВт, что соответствует энергии импульса 0,66 нДж. Измерение автокорреляционной трассы на выходе 1 с использованием автокоррелятора Femtochrome FR-103 имеет полувысоту 2,3 пс и показано на вставке к рис. 5 (b).

Рис.5.: (а) Нормированный выходной спектр волоконного лазера: FWHM, 7,1 нм; разрешение OSA, 0,1 нм. (б) Автокорреляционный след сжатого импульса: FWHM, 242 fs. Врезка: трассировка автокорреляции перед этапом сжатия (FWHM=2,3).пс). (c) Профиль сжатого импульса: FWHM, 168 fs. (г) Моделирование профилей мощности и мгновенной частоты импульса на выходе лазера перед этапом сжатия.

Предполагая гауссовый профиль импульса, длительность импульса на полувысоте оценивается в 1,6 пс, что приводит к пиковой мощности 388 Вт. После этапа сжатия, т. е. на выходе №2 на рис. 3, средняя мощность лазера снижается до 19,7 мВт благодаря эффективности передачи ∼70% первого порядка дифракции для каждой решетки. Синяя кривая на рис. 5(b) показывает автокорреляционный след дечирпированных импульсов, измеренный на автокорреляторе, что приводит к полувысоте 242 фс. Отсутствие других особенностей в диапазоне сканирования 20 пс автокорреляционной трассы, отсутствие сильных интерференционных полос в оптическом спектре, а также тот факт, что измерялась серия импульсов с основной частотой следования, позволяют предположить, что в спектре присутствует одиночный импульс. Более того, непрерывное снижение мощности накачки до исчезновения одиночного импульса не приводило к какой-либо прерывистой модификации оптического спектра, которая могла бы указывать на исчезновение других импульсов; это еще раз подтверждает предыдущее предположение. Реконструкция импульса на основе спектра импульса и его автокорреляционной трассы с использованием алгоритма PICASO показывает длительность импульса 168 фс и пиковую мощность 732 Вт. Это значение длительности импульса очень близко к значению 171 фс, полученному в предположении идеального гауссова временного профиля, является самым коротким на сегодняшний день для волоконного лазера видимой длины волны. Результаты моделирования показаны на рис. 5 рядом с экспериментальными результатами. Смоделированный импульс имеет относительно плоский спектр с небольшой асимметрией в пользу коротких длин волн и полосу пропускания 7,1 нм с центром на длине волны 635 нм. Длительность импульса составляет 1,66 пс, энергия 0,66 нДж, пиковая мощность 394 Вт. Импульс сжат до 176 фс. Эти результаты находятся в превосходном согласии с экспериментальными результатами, что открывает возможность для дальнейшего обсуждения.

Выводы и заключение

Эффективность генерации этой системы в 0,6%, очевидно, очень мала. Однако конструкция была оптимизирована не для достижения высокой эффективности, а для получения сверхкоротких импульсов. Для ограничения вредных нелинейных эффектов использовалось короткое активное волокно, приводящее к значительной остаточной мощности накачки на конце волокна. Система также имеет некоторые важные ограничения, поскольку в ней имеется секция free-space. Эффективность ввода мощности накачки составляет ∼70%. Сигнал претерпевает значительные вносимые потери и на каждом компоненте, и во время повторной подачи в оптическое волокно. По оценкам авторов, эти потери составят порядка 67%. Полностью волоконная конструкция, включающая объединитель накачки, безусловно, улучшит общие показатели потерь и эффективность. Таким образом, оптимизированная схема позволит масштабировать энергию в наноджоулевом диапазоне. Эти соображения находятся в стадии изучения, принимая во внимание несколько ограничений, таких как наличие оптических компонентов, которые могут передавать и поддерживать мощность накачки в несколько ватт. Хорошей новостью является то, что была продемонстрирована возможность сварки кварцевых волокон с фторцирконатными волокнами, что открывает двери для использования пассивных кварцевых волокон в резонаторе лазера и, следовательно, для широкого спектра пассивных волоконных компонентов. Тем не менее, существуют и более простые способы оптимизации указанной выше конструкции. Например, использование более длинного волокна может привести к увеличению энергии импульса за счет большей длительности импульса. Использование меньшей или большей полосы пропускания фильтра приведет к получению более коротких импульсов с большей спектральной шириной или более энергичных диссипативных солитонов соответственно.

Новость подготовила и перевела:

Ромашова Василиса
Руководитель группы по волоконным системам

Подобрать волоконно-оптические компоненты, волокна, легированные лантаноидами, диоды накачки, оптику и измерительное оборудование помогут инженеры АО «ЛЛС». За детальной информацией обращайтесь к вашему персональному менеджеру или по адресу info@lenlasers.ru