Verbesserung der Stabilität von Erbium

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20267 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel stellen wir die Leistung und Stabilität eines mit Erbium dotierten Faserlasers (EDFL) auf Basis eines sättigbaren ZnO-Absorbers (SA) vor, der nach zwei Schemata hergestellt wurde: Lösungsmethode (SM) und gepulste Laserabscheidungstechnik (PLDT). Es wurde beobachtet, dass EDFL mit ZnO-SA, das mit SM hergestellt wurde, bei 1561,25 nm bei einer Pumpleistung von 230 mW emittiert. Wenn die Pumpleistung von 22,2 mW auf 75,3 mW erhöht wird, verringert sich die Pulsdauer von 24,91 auf 10,69 µs und die Pulswiederholungsraten steigen von 11,59 auf 40,91 kHz. Außerdem werden bei einer Pumpleistung von 75,3 mW Spitzenleistung, Pulsenergie und durchschnittliche Ausgangsleistung mit 0,327 mW, 2,86 nJ bzw. 0,18 mW gemessen. Wenn jedoch PLDT-basiertes SA in den Ringhohlraum eingebaut wurde, liegt die Emissionswellenlänge bei 1568,21 nm bei einer Pumpleistung von 230 mW. Mit der Erhöhung der Pumpleistung von 22,2 mW auf 418 mW erhöhen sich die Pulswiederholungsraten von 10,79 auf 79,37 kHz und die Pulsbreite verringert sich von 23,58 auf 5,6 µs. Darüber hinaus wird beobachtet, dass die Spitzenleistung, die Impulsenergie und die durchschnittliche Ausgangsleistung 10,9 mW, 74 nJ bzw. 5,35 mW betragen. Die Stabilität von EDFL basierend auf SAs, die mit SM und PLDT hergestellt wurden, wurde ebenfalls untersucht. Nach bestem Wissen des Autors handelt es sich um den ersten Vergleich der Leistung und Langzeitstabilität von EDFL auf der Grundlage zweier experimenteller Techniken, SM und PLDT-basierter SAs. Diese Ergebnisse legen nahe, dass PLDT-basierte SAs über einen langen Zeitraum optimale Stabilität bieten und die Leistung von Faserlasern im Vergleich zu SAs verbessern, die mit der herkömmlichen SM-Technik hergestellt wurden. Diese Studie ebnet den Weg für die Entwicklung ultrastabiler SAs für ihre möglichen Anwendungen in gepulsten Laserquellen und photonischen Geräten.

Gepulste Faserlaser haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in der Spektroskopie, Materialbearbeitung, Mikrobearbeitung, Medizin und Telekommunikation große Aufmerksamkeit erregt1,2,3. Zur Pulsbildung in Lasern wird ein sättigbarer Absorber (SA) in den Hohlraum eingefügt, der die optischen Verluste moduliert, die wichtige Anwendungen bei der Güteschaltung und Modenkopplung von Lasern haben. Daher ist SA eine Schlüsselkomponente für den Ultrakurzpulsbetrieb von Faserlasern. Eine Vielzahl von SAs, wie Kohlenstoffnanoröhren4,5, Graphen6, auf Oxidfilmen basierende SAs7,8, Halbleitersättigungsabsorberspiegel (SESAMs)9,10 und topologische Isolatoren11,12, wurden in Faserlasern und Hohlräumen für den passiven Modus implementiert -gesperrte Impulserzeugung. Unter den Oxidfilmen gilt ZnO-Material aufgrund seiner elektrischen und optischen Eigenschaften als geeignetes Material. ZnO hat eine direkte Bandlücke von 3,37 eV13, optimale thermische, chemische und mechanische Stabilität, niedrige Schwellenspannung und ultraschnelle Erholungszeit14,15,16,17. Aufgrund dieser interessanten Eigenschaften hat ZnO potenzielle Anwendungen in optoelektronischen Geräten mit kurzer Wellenlänge, ultravioletten (UV) Laserdioden und lichtemittierenden Dioden18. In jüngster Zeit haben ZnO-basierte SAs in Erbium/Ytterbium-dotierten Faserlasern große Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen. Die grundlegenden Merkmale einer idealen SA sind Langzeitstabilität, hohe Schadensschwelle, schnelle Erholungszeit, niedrige Sättigungsintensität, optimale Modulationstiefe sowie einfache Herstellung und Implementierung im Laserhohlraum. Die komplizierte optische Ausrichtung, Stabilität, komplexe Herstellungsprozesse und Umgebungsempfindlichkeit schränken praktische Anwendungen von SAs für den Q-Switching- und Modenkopplungsbetrieb ein. Viele experimentelle Techniken wie die Abscheidung von Nanopartikeln auf einer Faserferrule19,20, die Lösungsmethode (SM)21,22,23 und die gepulste Laserabscheidungstechnik (PLDT)24,25 wurden vorgeschlagen und demonstriert, um SAs in Laserkavitäten für Q herzustellen -Umschaltung und Modenkopplung optischer Impulse. Allerdings sind die SAs, die mit konventionellen Techniken wie SM und auf Nanopartikeln basierenden Techniken hergestellt werden, äußerst instabil und schwierig innerhalb der Laserkavität auszurichten, da sie umweltempfindlich sind und eine niedrige Schadensschwelle haben. In der Literatur wurde über die Kurzzeitstabilität von EDFL berichtet und die Ausgangsleistung optischer Spektren wurde für 30–60 Minuten gemessen26,27,28,29. Die kurzfristige Zeitstabilität schränkt die praktischen Anwendungen gepulster Faserlaser ein, bei denen ein konstanter und stabiler Pulsbetrieb über einen langen Zeitraum erforderlich ist. Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben wir zunächst die Stabilität unseres vorgeschlagenen EDFL in Bezug auf die Spitze-zu-Spitze-Spannung (VP-P) des Ausgangsimpulsbetriebs über einen kontinuierlichen Zeitraum von 5 Stunden gemessen. Darüber hinaus ist ein Vergleich verschiedener vorgeschlagener experimenteller Techniken dringend erforderlich, um den besten Ansatz für die Herstellung hochstabiler SAs für Faserlaser zu ermitteln, die einfach auszurichten sind und eine hohe Schadensschwelle innerhalb der Laserhohlräume bieten.

In diesem Artikel haben wir die Leistung und Stabilität von gütegeschaltetem EDFL auf Basis von ZnO-SA verglichen, das mit SM und PLDT hergestellt wurde. Es wurde die Technik identifiziert, die zu der besten Leistung, optimaler Stabilität und hoher Schadensschwelle führt. Diese Studie legt nahe, dass EDFL auf Basis von SA, die mit PLDT hergestellt wurden, im Vergleich zu SA, die mit der SM-Technik hergestellt wurden, die kürzeste Pulsdauer, höhere Wiederholungsraten und eine hohe durchschnittliche Ausgangsleistung liefert. Darüber hinaus wird gefolgert, dass PLDT-basierte SAs im Vergleich zu SAs, die mit der SM-Technik hergestellt wurden, über einen langen Zeitraum eine große Schadensschwelle und einen äußerst stabilen Ausgangsimpulsbetrieb bieten. Im Gegensatz zu den früheren Berichten zur Stabilität von EDFL wurde die (VP-P)-Stabilität des gepulsten Betriebs diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird der ZnO-Dünnfilm mithilfe eines PLD-Systems direkt auf einer Faserferrule abgeschieden. Die Wechselwirkung zwischen Laser und Ziel bestimmt den Abscheidungsprozess. Ein hochenergetischer Laserstrahl wird auf ein Zielmaterial in der PLD-Kammer fokussiert. Beim Auftreffen des Laserstrahls auf das Ziel entsteht eine sichtbare Plasmafahne, die sich nach dem Prinzip der Thermodynamik in der Umgebung ausdehnt und sich in einer oder mehreren kristallographischen Ausrichtungen auf einem Substrat ablagert. Die Laserablation ist der attraktivste Teil dieser Technik, da sie die Stöchiometrie des Zielmaterials beibehält. Indem das Target und das Substrat relativ in Ruhe gehalten werden, entsteht ein ungleichmäßiger Film, der sich senkrecht zum Substrat ausbreitet. Um jedoch einen gleichmäßigen dünnen Film zu erhalten, werden Target und Substrat relativ zueinander in entgegengesetzte Richtungen gedreht. Die PLD-Technik ist vor allem für die Herstellung von Heterostrukturen bekannt, doch mittlerweile kann sie auch zur Steuerung und zum Wachstum dünner Filme in Nanogröße eingesetzt werden.

Hier wurde die vierte Harmonische eines bei 266 nm emittierenden Nd:YAG-Lasers für die Ablation des ZnO-Targets verwendet. Ein Laserstrahl von 10 mJ wurde auf das Ziel in der PLD-Kammer fokussiert und das Ziel (ZnO) wurde kontinuierlich gedreht, um die Entstehung eines Kraters zu vermeiden. Die Faserhülse wurde im Abstand von 3 cm vor dem Ziel angebracht. Die Abscheidung erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 0,05 nm/s und die Filmdicke wurde mit einer Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) überwacht, die bereits mit dem Querschnitts-SEM30 validiert und kalibriert wurde. Die Temperatur des Substrats (Faserhülse) wurde bei 25 °C bei einem Hintergrundvakuum von 2 × 10–6 mbar gehalten. Mithilfe der PLD-Technik wurde ein 400 nm dicker dünner ZnO-Film direkt auf der Faserferrule abgeschieden. In Abb. 1a, b ist eine Faserferrule ohne auf einer Faserferrule abgeschiedenes SA bzw. mit mit PLDT abgeschiedenem ZnO-Dünnfilm dargestellt. Diese Bilder wurden mit dem Digitalmikroskop (Inskam) aufgenommen.

Faserhülse (a) ohne SA und (b) mit ZnO-Dünnfilmabscheidung mittels PLDT.

Der Herstellungsprozess des ZnO-Dünnfilms ist in Abb. 2 dargestellt. Um den ZnO-Dünnfilm-basierten SA in den Laserhohlraum zu integrieren, wurden die ZnO-Nanostrukturen in den Polymer-basierten Dünnfilm eingebettet. Die ZnO-Nanopartikel wurden von Sigma-Aldrich (USA) gekauft und die Größe der ZnO-Partikel wurde auf einen Bereich von ≤ 50 nm geschätzt. Zunächst wurde der Polyvinylalkohol (PVA) als Wirtspolymer durch Zugabe von 1 g PVA-Pulver in 100 ml destilliertes Wasser hergestellt. Um PVA vollständig im destillierten Wasser aufzulösen, wurde die Mischung bei einer Temperatur von 25 °C magnetisch gerührt. Danach wurden 10 mg ZnO-Nanopartikel zu 20 ml der gelösten PVA-Suspension gegeben. Schließlich wurde die ZnO-PVA-Lösung in eine Petrischale gegossen und einen Tag lang bei Umgebungstemperatur trocknen gelassen, um den dünnen Film zu entwickeln, der als passives SA verwendet werden sollte. Dann wurde ein kleiner Bereich der Folie abgeschnitten und dann auf der Oberfläche der Faserhülse befestigt. Die Faserhülse ohne SA und mit SA-Dünnfilm ist in Abb. 3a bzw. b dargestellt.

Der Herstellungsprozess eines ZnO-PVA-Dünnfilms mithilfe der SM-Technik.

(a) Faserhülse ohne Dünnschichtabscheidung und (b) mit ZnO-Dünnschichtabscheidung unter Verwendung der SM-Technik.

Das Raumtemperatur-Photolumineszenzspektrum (PL) des abgeschiedenen ZnO-Dünnfilms ist in Abb. 4a dargestellt. Als Anregungsquelle für die Photolumineszenz wurde ein Strahl des Stickstofflasers (NL100) mit einer Wellenlänge von 337 nm, einer Pulsenergie von 170 µJ und einer Pulsdauer von 3,5 ns verwendet. Der bei etwa 390 nm auftretende Peak korreliert mit der freien Exzitonen-Rekombination oder den Exziton-Exziton-Kollisionen, die als NBE-UV-Emission (Near Band Edge) bezeichnet werden.

(a) PL- und (b) Raman-Spektren eines ZnO-Dünnfilms.

Die Raman-Spektroskopie des abgeschiedenen ZnO-Dünnfilms wurde mit dem Ava Raman mit 532-nm-Laser und einer maximalen Leistung von 50 mW durchgeführt. Abbildung 4b zeigt das Raman-Spektrum des auf der Spitze der Faserhülse abgeschiedenen ZnO-Dünnfilms. Die spektroskopischen Peaks mit Wellenlängenverschiebung und ihre entsprechenden Phononenmoden wurden wie in der Literatur angegeben31,32 zugeordnet und sind im Einschub von Abb. 4b aufgeführt.

Die EDX-Spektren des ZnO-Dünnfilms sind in Abb. 5 dargestellt. Die Hauptelemente und die prozentuale Zusammensetzung des ZnO-Dünnfilms sind in Abb. 5b aufgeführt. Die Oberflächenmorphologie des ZnO-Dünnfilms wurde mithilfe eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FESEM) untersucht. Die mikroskopische Aufnahme bestätigt, dass der abgeschiedene dünne Film im Allgemeinen sehr glatt und kontinuierlich ist, wie in Abb. 5c dargestellt. Die gemessenen Ergebnisse zeigen, dass der ZnO-Dünnfilm eine gute Reinheit aufweist, einschließlich Zink – 84,84 Gew.-% und Sauerstoff – 15,16 Gew.-%.

(a) Energiedispersives Röntgenspektrum des ZnO-Dünnfilms (b) Prozentuale Zusammensetzung der im ZnO-Dünnfilm vorhandenen Elemente (c) Mikrofotografie der Oberfläche des ZnO-Dünnfilms.

Abbildung 6 zeigt das schematische Diagramm des in der vorliegenden Studie verwendeten gütegeschalteten EDFL-Aufbaus. Als Pumpquelle wurde ein Single-Mode-Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 976 nm verwendet. Der Ausgang des gepumpten Lasers wurde mit einem 980/1550-nm-Wellenlängenmultiplexer (WDM) gekoppelt, und der gemeinsame Anschluss war mit EDF gekoppelt. Ein polarisationsunabhängiger Isolator (PI-ISO) wurde verwendet, um die unidirektionale Lichtausbreitung im Ringhohlraum sicherzustellen. Nach dem Isolator wurde ZnO-SA in den Laserhohlraum eingebaut. Anschließend wurde ein 90:10-Ausgangskoppler verwendet, um das Licht in zwei Teile aufzuteilen; 90 % breiten sich in den Ringhohlraum aus und 10 % wurden für die Analyse verwendet. Die Ausgangsleistung wurde mit einem optischen Leistungsmesser (Thorlabs) gemessen. Die HF-Spektren wurden mit einem HF-Spektrumanalysator (GW INSTEK, GSP-9330) über eine 5-GHz-InGaAs-Fotodiode (Thorlabs: DET08CFC/M) aufgezeichnet. Die optischen Spektren wurden mit einem optischen Spektrumanalysator (YOKOGAWA, AQ6370D) mit einer Mindestauflösung von 0,02 nm registriert, der einen Wellenlängenbereich von 600 bis 1700 nm abdeckt. Ein digitales Oszilloskop (GW INSTEK, GDS-3504) wurde auch über eine 5-GHz-InGaAs-Fotodiode (Thorlabs: DET08CFC/M) zur Analyse der Impulszugeigenschaften verwendet.

Experimentelle Anordnungen eines gütegeschalteten Erbium-dotierten Faserlasers auf Basis von ZnO-SA; WDM-Wellenlängenmultiplexer, Erbium-dotierte EDF-Faser, optischer ISO-Isolator, PD-Fotodiode, PM-Leistungsmesser, sättigbarer ZnO-SA-Zinkoxid-Absorber, Oszilloskop, optischer Spektrumanalysator OSA, elektrischer Spektrumanalysator ESA.

Ein CW-Betrieb eines gütegeschalteten EDFL wird bei einer niedrigen Pumpschwelle von 11,2 mW beobachtet. Wenn jedoch SM- und PLDT-basiertes ZnO-SA in den Laserhohlraum eingebaut wird, wird der passive gütegeschaltete Pulsbetrieb bei 22,2 mW beobachtet. Abbildung 7 zeigt das typische optische Spektrum eines gütegeschalteten EDFL im kontinuierlichen Modus (durchgezogene rote Linie) mit ZnO-SA, hergestellt mit SM (durchgezogene blaue Linie) und PLDT (durchgezogene schwarze Linie) bei einer Pumpleistung von 230 mW. Die 3-dB-Bandbreite der Laserwellenlängenspektren ohne SA beträgt 0,4 nm mit einer Mittenwellenlänge von 1572,37 nm. Für SA, die mit SM hergestellt wurden, beträgt die 3-dB-Bandbreite jedoch 1,7 nm bei der Mittenwellenlänge von 1561,25 nm und 1,1 nm für SA, die mit PLDT bei der Mittenwellenlänge von 1568,21 nm hergestellt wurde. Diese Verbreiterung des optischen Spektrums von 0,4 nm auf 1,1 und 1,7 nm weist auf die Änderung des Laserverhaltens hin zum Pulsbetrieb vom CW-Modus hin, da dafür mehr Fourier-Spektralkomponenten erforderlich waren33,34. Außerdem wird eine Blauverschiebung von 11,12 nm bzw. 4,16 nm in der Mittenwellenlänge beobachtet, wenn die mit SM bzw. PLDT hergestellte SA in den Laserhohlraum eingeführt wird. Aufgrund der Einfügung von SA in den Laserhohlraum treten hohe optische Verluste auf, und um diese Verluste zu überwinden, wird mehr Verstärkung erzielt, wodurch sich die Wellenlänge in den kürzeren Wellenlängenbereich ändert.

Gemessenes optisches Spektrum von EDFL ohne SA (durchgezogene rote Linie) und für SA, hergestellt mit SM (durchgezogene blaue Linie) und PLDT (durchgezogene schwarze Linie).

Die Pulswiederholungsrate und Pulsdauer als Funktion der Pumpleistung im Bereich von 22,2 bis 418 mW sind in Abb. 8a bzw. b für die mit PLDT erstellte SA dargestellt (durchgezogene blaue Kreise). In ähnlicher Weise sind bei einer Pumpleistung von 22, 2–75, 3 mW die Impulswiederholungsrate und die Impulsbreitendaten in Abb. 8a, b für SA dargestellt, die mit der SM-Technik erstellt wurden.

Gemessen wurden (a) die Pulswiederholungsraten für SA, die mit SM (leere rote Kreise) und PLDT (durchgezogene blaue Kreise) erstellt wurden, und (b) die Pulsbreite für SA, die mit SM (leere rote Kreise) und PLDT (durchgezogene blaue Kreise) erstellt wurden, als Funktion der Pumpenleistung.

Diese Ergebnisse zeigen, dass bei mit SM und PLDT vorbereitetem SA der Güteschaltvorgang bei einer Pumpleistung von 22,2 mW beginnt. Bei mit PLDT hergestellten SA erhöhen sich die Pulswiederholungsraten von 10,79 auf 79,37 kHz, während die Pumpleistung von 22,2 auf 418 mW erhöht wird, während die Pulsdauer von 23,58 auf 5,6 µs sinkt. Andererseits führt bei SA, die mit der SM-Technik hergestellt wurden, eine Erhöhung der Pumpleistung von 22,2 auf 75,3 mW zu einer Erhöhung der Pulswiederholungsraten von 11,59 auf 40,91 kHz, während die Pulsdauer von 24,91 auf 10,69 µs abnimmt. Bei einem weiteren Anstieg der Pumpleistung auf 75,3 mW bzw. 418 mW für SA, die mit SM bzw. PLDT hergestellt wurden, verschwindet der gütegeschaltete Betrieb und es tritt ein Dauerstrichbetrieb auf.

Bei einer Pumpleistung von 283 mW ist das HF-Spektrum für SA, das mit PLDT erstellt wurde, in Abb. 9a dargestellt. Das HF-Spektrum wurde mit einer Auflösungsbandbreite von 1 kHz und einer Videobandbreite von 10 Hz gemessen. Aus den gemessenen HF-Spektren für SA, die mit PLDT erstellt wurden, werden 30 Frequenzharmonische unter einem Frequenzbereich von 2 MHz beobachtet, und der Höhepunkt der Grundfrequenz wird bei 65,45 kHz beobachtet. Darüber hinaus beträgt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der gemessenen HF-Spektren für SA, die mit PLDT erstellt wurden, 48 dB (siehe Einschub in Abb. 9a). Andererseits ist bei einer festen Pumpleistung von 75,3 mW das HF-Spektrum für SA, das mit der SM-Technik erstellt wurde, in Abb. 9b dargestellt. Bei SA, die mit der SM-Technik erstellt wurden, werden 10 Frequenzharmonische bei einer Auflösungsbandbreite von 1 kHz, einer Videobandbreite von 10 Hz und einem Frequenzbereich von 200 kHz beobachtet. Bei SA, die mit der SM-Technik erstellt wurden, beträgt die Grundfrequenz 19,34 kHz mit 34 dB SNR. Das höhere SNR für SA, das mit der PLDT-Technik hergestellt wurde, bestätigt außerdem eine bessere Stabilität und Leistung von EDFL auf Basis von ZnO-SA, das mit der SM-Technik hergestellt wurde.

Gemessene HF-Spektren für SA, erstellt unter Verwendung von (a) PLDT mit einer Frequenzspanne von 2 MHz, einer Auflösungsbandbreite von 1 kHz und einer Videobandbreite von 10 Hz und (b) SM-Technik mit einer Frequenzspanne von 200 kHz, einer Auflösungsbandbreite von 1 kHz und einer Videobandbreite von 10 Hz; Der Einschub zeigt das SNR bei einer Pumpleistung von 45,7 mW.

Eine gemessene optische Impulsfolge bei einer Pumpleistung von 283 mW ist in Abb. 10a für SA dargestellt, die mit dem PLDT erstellt wurde, und die minimale Impulsdauer beträgt 8,52 µs. Es wird beobachtet, dass das Pulsintervall bei einer Pumpleistung von 283 mW 15,2 µs beträgt, was gut mit den Wiederholungsraten von 65,78 kHz übereinstimmt. In Abb. 10b ist die gemessene optische Impulsfolge für SA dargestellt, die mit der SM-Technik bei einer Pumpleistung von 45,7 mW hergestellt wurde, und die minimale Impulsdauer beträgt 14,99 µs. Bei einer Pumpleistung von 45,7 mW beträgt das Pulsintervall hingegen 51,22 µs, was gut mit den Wiederholungsraten von 19,31 kHz übereinstimmt.

Gemessener EDFL-Impulszug basierend auf SA, hergestellt mit (a) PLDT bei einer Pumpleistung von 283 mW (b) SM-Technik bei einer Pumpleistung von 45,7 mW.

An dieser Stelle ist es wichtig zu erwähnen, dass bei SA, die mit der SM-Technik hergestellt wurden, der Güteschaltvorgang von EDFL verschwindet und ein CW-Betrieb einsetzt, wenn sich die Pumpleistung 75,3 mW nähert. Der mit PLDT hergestellte SA toleriert jedoch bis zu 418 mW maximale Leistung und ein stabiler gütegeschalteter Pulsbetrieb bleibt weiterhin erhalten. Andererseits verschwindet bei einer Pumpleistung von mehr als 418 mW die Güteschaltung und ein CW-Betrieb beginnt. Dieses Verhalten zeigt die Wirksamkeit der PLDT gegenüber der SM-Technik bei der Herstellung robuster, stabiler und zuverlässiger SAs für Faserlaser.

Die durchschnittliche Ausgangsleistung des EDFL mit beiden SAs ist in Abb. 11 dargestellt. Für die SM-Technik beträgt die maximale durchschnittliche Ausgangsleistung 0,18 mW bei einer Pumpleistung von 75,3 mW. Bei SA, die mit PLDT hergestellt wurde, wurde eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 5,35 mW bei einer Pumpleistung von 418 mW beobachtet.

Gemessene durchschnittliche Ausgangsleistung im Vergleich zur Pumpleistung für SAs, die mit SM (leere rote Kreise) und PLDT (durchgezogene blaue Kreise) hergestellt wurden.

Für die auf der SM-Technik basierende SA betragen die Pulsenergie und die Spitzenleistung 2,86 nJ bzw. 0,327 mW. Die Pulsenergie von 74 nJ und 10,9 mW Spitzenleistung wird bei einer Pumpleistung von 418 mW mit SA beobachtet, die mit PLDT hergestellt wurde. Die in den Abbildungen dargestellten Ergebnisse. 11 und 12 zeigen, dass EDFL basierend auf SAs, die mit PLDT hergestellt wurden, eine höhere Ausgangsleistung liefert und eine bessere Sättigungstoleranz bietet als SAs, die mit der SM-Technik hergestellt wurden.

Gemessen (a) Pulsenergie und (b) Spitzenleistung als Funktion der Pumpleistung für SA, hergestellt mit SM (leere rote Kreise) und PLDT (durchgezogene blaue Kreise).

Um die Stabilität von EFDL mit SAs zu untersuchen, die mit SM und PLDT hergestellt wurden, werden die SAs 3–5 Stunden lang kontinuierlich einer festen Pumpleistung von 45,7 mW ausgesetzt. Die durchschnittliche Ausgangsleistung, Pulsdauer, Pulswiederholungsrate und VP-P-Daten der von EDFL erzeugten optischen Pulse wurden kontinuierlich aufgezeichnet und in den Abbildungen dargestellt. 13, 14 und 15.

Gemessene durchschnittliche Ausgangsleistung als Funktion der Zeit für SA, die mit SM und PLDT erstellt wurde.

Gemessener VP-P als Funktion der Zeit für SA, hergestellt mit SM (leere rote Kreise) und PLDT (durchgezogene blaue Kreise).

Gemessen (a) die Pulswiederholungsraten und (b) die Pulsdauer als Funktion der Zeit für SA, die mit SM und PLDT erstellt wurde.

Die Stabilität von EDFL basierend auf SAs, die mit SM und PLDT hergestellt wurden, wurde untersucht und die Spitze-zu-Spitze-Spannung optischer Impulse wurde mit einem Oszilloskop aufgezeichnet. Zuerst haben wir die Ausgangsleistung beider SAs mit einem an einen Computer angeschlossenen Leistungsmesser drei Stunden lang kontinuierlich gemessen, es wurde jedoch kein signifikanter Unterschied festgestellt, da beide Datensätze ein ähnliches Verhalten als Funktion der Zeit zeigen. Die durchschnittliche Ausgangsleistung bei fester Pumpleistung von 45,7 mW als Funktion der Zeit ist in Abb. 13 für SAs dargestellt, die mit SM und PLDT erstellt wurden. In der Literatur wird die Stabilität von Faserlasern durch Messung der Ausgangsleistung des optischen Spektrums untersucht26,27,28,29,35.

Es scheint uns (siehe Abb. 13), dass die beobachtete Instabilität in den gepulsten Zügen nicht in der Ausgangsleistung sichtbar war. Um das Problem der Impulsinstabilität zu lösen, haben wir VP-P für SAs, die mit SM und PLDT erstellt wurden, mit dem Oszilloskop aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 14 und 15. Abbildung 14 zeigt, dass der VP-P anfänglich 890 nV für SA beträgt, das mit der SM-Technik hergestellt wurde, und 1,01 mV für SA, das mit PLDT hergestellt wurde. Dann ist bei SA, die mit dem SM-Ansatz hergestellt wurden, ein leichter Anstieg des VP-P zu beobachten, und nach 17 Minuten erreichte es seinen Maximalwert von 1,07 mV, aber es wurde kein signifikanter Unterschied für SA festgestellt, das mit PLDT hergestellt wurde. Bei Erreichen des optimalen Werts von 1,07 mV sinkt der VP-P für die nächsten 74 Minuten auf bis zu 776 nV, aber für SA basierend auf PLDT bleibt die Ausgangsspannung stabil. Darüber hinaus wurde für die nächsten 120 Minuten ein rascher Abfall des VP-P für die mit der SM-Technik hergestellte SA festgestellt, und für die PLDT-basierte SA wurde keine solche Instabilität gemessen. Diese Ergebnisse zeigen außerdem, dass bei mit der SM-Technik hergestelltem SA der VP-P kontinuierlich abnimmt und sich schließlich nach 330 Minuten Null nähert. Zu diesem Zeitpunkt verschwanden die Impulse für die SM-basierte SA vollständig, während die VP-P für die PLDT-basierte SA immer noch stabil blieben.

Der Vergleich der gemessenen HF-Linienbreite und Impulsbreite für die mit SM und PLDT erstellten SAs ist in Abb. 15a bzw. b dargestellt. Zunächst nehmen die Wiederholungsraten ab, dann ist ein zunehmender Trend zu beobachten, und während 5 Stunden schwanken die Wiederholungsraten zwischen 18 und 26 kHz für SA, die mit der SM-Technik hergestellt wurden. Bei SA, die mit PLDT hergestellt wurden, wurde jedoch keine signifikante Änderung der Wiederholungsraten festgestellt. Die minimalen und maximalen Wiederholungsraten für diese SA wurden mit 21,17 bzw. 21,57 kHz gemessen (siehe Abb. 15a). Außerdem werden die Pulsbreitendaten von EDFL basierend auf SA, die mit SM und PLDT erstellt wurden, weiter verglichen und in Abb. 15b dargestellt. Diese Daten zeigen, dass die Impulsbreite für die mit dem SM-Ansatz erstellte SA zwischen 18 und 20 µs variiert. Für die mit PLDT erstellte SA wurde jedoch festgestellt, dass die minimale und maximale Impulsbreite jeweils 17,2–17,9 µs betrug. Diese Daten legen außerdem nahe, dass PLDT im Vergleich zur herkömmlichen SM-Technik viel stabilere optische Impulse liefert.

Die Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 14 und 15 bestätigen die Stabilität von SAs, die mit PLDT hergestellt wurden. Die bessere Stabilität von SAs, die mit PLDT hergestellt wurden, kann auf den Herstellungsprozess von SAs zurückgeführt werden. Während der Abscheidung des dünnen Films durch PLD werden die Atome/Ionen mit viel besserer Haftung und ohne zusätzliche Verunreinigungen, z. B.; PVA usw. Bei PLDT führt eine bessere Haftung ohne zusätzliche Chemikalien und ein direktes Wachstum von ZnO auf der Faserferrule unter kontrollierter Umgebung zu einer besseren Stabilität der SAs.

Zusammenfassend haben wir eine passiv gütegeschaltete EDFL auf Basis von ZnO-SA demonstriert, die mit SM- und PLDT-Techniken hergestellt wurde. Die Pulsdauer, Wiederholungsraten, durchschnittliche Ausgangsleistung, Spitzenenergie, Pulsenergie und Stabilität für SAs, die mit beiden Ansätzen hergestellt wurden, wurden gemessen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass bei SA, die mit der SM-Technik hergestellt wurden, die Pulswiederholungsraten von 11,59 auf 40,91 kHz anstiegen und die Pulsdauer von 24,91 auf 10,69 µs abnahm, wenn die Pumpleistung von 22 mW auf 75,3 mW erhöht wurde. Bei einer Pumpleistung von 75,3 mW werden außerdem Spitzenleistung, Pulsenergie und durchschnittliche Ausgangsleistung von 0,327 mW, 2,86 nJ bzw. 0,18 mW beobachtet. Wenn andererseits PLDT-basiertes SA in den Ringhohlraum eingebaut wurde, stieg die Pumpleistung von 22,2 mW auf 418 mW, die Pulswiederholungsraten stiegen von 10,79 auf 79,37 kHz und die Pulsbreite verringerte sich von 23,58 auf 5,6 µs . Die Spitzenleistung, die Impulsenergie und die durchschnittliche Ausgangsleistung betragen jeweils 10,9 mW, 74 nJ und 4,65,35 mW. Darüber hinaus haben wir zunächst die Impulsstabilität von EDFL gemessen und verglichen, basierend auf SAs, die mit SM und PLDT für mehr als 5 Stunden im Hinblick auf die Spitze-zu-Spitze-Spannung hergestellt wurden. Es zeigte sich, dass bei SA, die mit PLDT hergestellt wurden, die Spitze-zu-Spitze-Spannung, die Impulsdauer und die Wiederholungsrate über einen langen Zeitraum stabil bleiben. Es kann auch geschlussfolgert werden, dass die Stabilitätsstudie von EDFL ohne Messung der Stabilität der Spitze-zu-Spitze-Spannungen der gepulsten Züge nicht zuverlässig wäre. Diese Studie legt außerdem nahe, dass PLDT aufgrund ihrer potenziellen photonischen Anwendungen eine vielversprechende Technik für die Herstellung ultrastabiler SAs ist.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir danken der Planungskommission Pakistans und der Pakistan Academy of Sciences (PAS) für die finanzielle Unterstützung bei der Entwicklung von Faserlasern im Atomic and Laser Physics Laboratory des National Center for Physics in Islamabad.

Nationales Zentrum für Physik, Campus der Quaid-I-Azam-Universität, Islamabad, 45320, Pakistan

Haroon Asghar, Rizwan Ahmed, Rizwan Ajmal, Zeshan A. Umar und M. Aslam Baig

Fachbereich Physik und Tyndall National Institute, University College Cork, Western Road, Cork, Irland

John. G. McInerney

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HA: Konzeptualisierung, Methodik, Schreiben – ursprünglicher Entwurf, Untersuchung, Validierung, Visualisierung, RA: Überprüfung und Bearbeitung, Untersuchung, Charakterisierung, RA: Untersuchung, ZAU: Charakterisierung, JGM: Überprüfung und Finanzierung, MAB: Aufsicht.

Korrespondenz mit Haroon Asghar.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Asghar, H., Ahmed, R., Ajmal, R. et al. Verbesserung der Stabilität von Erbium-dotierten Faserlasern mithilfe eines sättigbaren Absorbers, der durch die gepulste Laserabscheidungstechnik hergestellt wird. Sci Rep 12, 20267 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23511-3

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Eingegangen: 10. Mai 2022

Angenommen: 01. November 2022

Veröffentlicht: 24. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23511-3

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