[论文解读] Yb-doped all fiber picosecond laser based on grade-index multimode fiber with microcavity

Zhipeng Dong, Shujie Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 20被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种紧凑的全光纤掺镱皮秒激光器，采用具有嵌入式微腔的梯度折射率多模光纤作为非线性可饱和吸收体。该装置在1035 nm波长下产生17.05 ps脉冲，平均输出功率为1.26 mW，重复频率为37.098 MHz，展示了低成本、高稳定性以及高损伤阈值，适用于光学传感和材料加工应用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在全正群速度色散下工作的低成本全光纤锁模激光器。
• 解决在紧凑型光纤激光器中对稳定、高损伤阈值可饱和吸收体的需求。
• 利用嵌入微腔的梯度折射率多模光纤实现被动锁模。
• 实现子20 ps脉冲生成，具备高稳定性和可扩展性，适用于实际应用。

提出的方法

• 将一段带有内部微腔的梯度折射率多模光纤熔接至激光腔中，形成非线性可饱和吸收体。
• 微腔结构引起受控的弯曲诱导非线性损耗调制，从而实现可饱和吸收特性。
• 激光器在全正群速度色散区域运行，依赖自相位调制和非线性偏振演化实现脉冲形成。
• 当在最佳弯曲条件下，可饱和吸收体表现出2.2%的调制深度，实现稳定锁模。
• 激光腔完全由光纤构成，确保无对准操作和高环境稳定性。
• 系统采用掺镱光纤放大器泵浦，在1035 nm波长下实现激光振荡，重复频率为37.098 MHz。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有嵌入式微腔的梯度折射率多模光纤能否在锁模光纤激光器中作为有效的可饱和吸收体？
• RQ2 在微腔基可饱和吸收体中，实现最大调制深度的最佳弯曲条件是什么？
• RQ3 这种新型吸收体设计能否使全光纤、全正群速度色散的掺镱激光器实现子20 ps脉冲输出？
• RQ4 与传统可饱和吸收体相比，基于微腔的吸收体在损伤阈值和稳定性方面表现如何？
• RQ5 在这种紧凑的全光纤配置中，可实现的脉冲宽度、平均输出功率和重复频率分别是多少？

主要发现

• 激光器在中心波长1035 nm处产生17.05 ps脉冲，平均输出功率为1.26 mW。
• 锁模脉冲 train 的重复频率为37.098 MHz，与腔内 round-trip 时间一致。
• 基于嵌入微腔的梯度折射率多模光纤的可饱和吸收体在最佳弯曲条件下实现2.2%的调制深度。
• 全光纤设计确保了高稳定性，并对环境扰动具有低敏感性。
• 由于可饱和吸收体采用坚固的光纤结构，激光系统表现出高损伤阈值。
• 所提出的可饱和吸收体成本低廉，且与标准光纤熔接技术兼容，可实现可扩展制造。