[논문 리뷰] Yb-doped all fiber picosecond laser based on grade-index multimode fiber with microcavity

Zhipeng Dong, Shujie Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비선형 포화 흡수체로 내장된 마이크로캐비티를 가진 단계 인덱스 다모드 섬유를 사용하여, 작고 전섬유형 Yb Dopant 피코초 레이저를 제안한다. 장치는 1035 nm에서 17.05 ps 펄스를 1.26 mW 평균 출력 및 37.098 MHz 반복 주파수로 생성하며, 광학 센서 및 재료 가공 응용 분야에서 저비용, 고안정성, 고내구성 특성을 입증한다.

ABSTRACT

We demonstrate an all-fiber mode-locked laser at all-normal dispersion with a saturable absorber, which is based on a section of grade-index multimode fiber with inner microcavity embedded in the splice points. The absorption modulation depth of this nonlinear saturable absorber is 2.2% in the suitable bent state. The fiber laser operates at central wavelength of 1035nm with average power of ~1.26mW, pulse-duration of 17.05 ps, repetition rate of 37.098MHz. This kind of saturable absorber has superiorities of low cost, high stability and high damage threshold, which may facilitate applications in optical sensing, material processing and light detection.

연구 동기 및 목표

• 모든 정상 분산 영역에서 동작하는 저비용, 전섬유 모드 잠금 레이저를 개발하기 위해.
• 작고 안정적이며 고내구성 품질의 포화 흡수체가 필요한 전섬유 레이저에 대응하기 위해.
• 단계 인덱스 다모드 섬유에 내장된 마이크로캐비티를 활용하여 수동 모드 잠금을 가능하게 하기 위해.
• 실용적 응용 분야에 적합한 고안정성 및 확장 가능한 특성을 갖춘 20 ps 이내 펄스 생성을 실현하기 위해.

제안 방법

• 비선형 포화 흡수체를 형성하기 위해, 내부에 마이크로캐비티를 가진 단계 인덱스 다모드 섬유의 일부를 레이저 캐비티에 스플라이스한다.
• 마이크로캐비티 구조는 제어된 굴곡 유도 비선형 손실 조절을 유도하여 포화 흡수 행동을 가능하게 한다.
• 레이저는 모든 정상 분산 영역에서 동작하며, 펄스 형성에 자가위상변조 및 비선형 편광 진동을 기반으로 한다.
• 최적의 굴곡 조건에서 포화 흡수체는 2.2%의 조절 깊이를 나타내어 안정적인 모드 잠금을 가능하게 한다.
• 레이저 캐비티는 완전히 광섬유로 구성되어 있어 정렬이 불필요하고 환경적 안정성이 높다.
• 시스템은 Yb 도핑 섬유 증폭기를 사용하여 1035 nm에서 레이저를 발생시키며, 반복 주파수는 37.098 MHz이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내장된 마이크로캐비티를 가진 단계 인덱스 다모드 섬유가 모드 잠금 섬유 레이저에서 효과적인 포화 흡수체로 기능할 수 있는가?
• RQ2 마이크로캐비티 기반 포화 흡수체에서 최대 조절 깊이를 달성하기 위한 최적의 굴곡 조건은 무엇인가?
• RQ3 이 새로운 흡수체 설계를 사용하여 전섬유형, 모든 정상 분산 Yb 도핑 레이저가 20 ps 이내의 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ4 마이크로캐비티 기반 흡수체의 내구성 및 안정성은 기존 포화 흡수체와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이러한 작고 전섬유 구조에서 도달 가능한 펄스 길이, 평균 출력 및 반복 주파수는 무엇인가?

주요 결과

• 레이저는 중심 파장 1035 nm에서 평균 출력 1.26 mW로 17.05 ps 펄스를 생성한다.
• 모드 잠금 펄스 열의 반복 주파수는 37.098 MHz이며, 캐비티의 루프 트립 시간과 일치한다.
• 마이크로캐비티가 내장된 단계 인덱스 다모드 섬유 기반 포화 흡수체는 최적의 굴곡 조건에서 2.2%의 조절 깊이를 달성한다.
• 전섬유 설계는 고안정성과 환경적 외란에 대한 낮은 민감도를 보장한다.
• 포화 흡수체의 견고한 섬유 기반 구조 덕분에 고내구성 특성을 나타낸다.
• 제안된 포화 흡수체는 저비용이며 표준 섬유 용접 기술과 호환되어 확장 가능한 제조가 가능하다.