Migliorare la stabilità dell'erbio

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 20267 (2022) Citare questo articolo

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In questo articolo, presentiamo le prestazioni e la stabilità di un laser a fibra drogata con erbio (EDFL) basato su assorbitore saturabile (SA) ZnO preparato utilizzando due schemi: metodo di soluzione (SM) e tecnica di deposizione laser pulsata (PLDT). È stato osservato che EDFL con ZnO-SA preparato utilizzando SM emette a 1561,25 nm con una potenza di pompa di 230 mW. Quando la potenza della pompa aumenta da 22,2 mW a 75,3 mW, la durata dell'impulso diminuisce da 24,91 a 10,69 µs e la velocità di ripetizione dell'impulso aumenta da 11,59 a 40,91 kHz. Oltre alla potenza della pompa di 75,3 mW, la potenza di picco, l'energia dell'impulso e la potenza di uscita media sono misurate rispettivamente come 0,327 mW, 2,86 nJ e 0,18 mW. Tuttavia, quando SA basato su PLDT è stato incorporato nella cavità dell'anello, la lunghezza d'onda di emissione viene notata a 1568,21 nm con una potenza di pompa di 230 mW. Con l'aumento della potenza della pompa da 22,2 mW a 418 mW, la frequenza di ripetizione dell'impulso aumenta da 10,79 a 79,37 kHz e l'ampiezza dell'impulso diminuisce da 23,58 a 5,6 µs. Inoltre, si osserva che la potenza di picco, l'energia dell'impulso e la potenza di uscita media sono rispettivamente 10,9 mW, 74 nJ e 5,35 mW. È stata studiata anche la stabilità dell'EDFL basato su SA preparati utilizzando SM e PLDT. Per quanto a conoscenza dell'autore, si tratta del primo confronto tra prestazioni e stabilità a lungo termine dell'EDFL basato su due tecniche sperimentali SM e SA basate su PLDT. Questi risultati suggeriscono che gli SA basati su PLDT forniscono stabilità ottimale per un lungo periodo e migliorano le prestazioni dei laser a fibra rispetto agli SA preparati utilizzando la tecnica SM convenzionale. Questo studio apre la strada allo sviluppo di SA ultrastabili per le loro potenziali applicazioni in sorgenti laser pulsate e dispositivi fotonici.

I laser a fibra pulsata hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni grazie alle loro potenziali applicazioni in spettroscopia, lavorazione dei materiali, microlavorazione, medicina e telecomunicazioni1,2,3. Per la formazione degli impulsi nei laser, nella cavità viene inserito un assorbitore saturabile (SA) che modula le perdite ottiche che hanno importanti applicazioni nella commutazione Q e nel blocco della modalità dei laser. Pertanto, SA è un componente chiave per ottenere il funzionamento a impulsi ultracorti dai laser a fibra. Una varietà di SA, come nanotubi di carbonio4,5, grafene6, SA basati su pellicole di ossido7,8, specchi semiconduttori saturabili-assorbenti (SESAM)9,10 e isolanti topologici11,12 sono stati implementati nei laser a fibra e nelle cavità per la modalità passiva -generazione di impulsi bloccata. Tra i film di ossido, il materiale ZnO è considerato un materiale vitale grazie alle sue caratteristiche elettriche e ottiche. ZnO ha un gap di banda diretto di 3,37 eV13, stabilità termica, chimica e meccanica ottimale, bassa tensione di soglia e tempo di recupero ultraveloce14,15,16,17. A causa di queste interessanti caratteristiche, ZnO ha potenziali applicazioni in dispositivi optoelettronici a lunghezza d'onda corta, diodi laser ultravioletti (UV) e diodi emettitori di luce18. Più recentemente, gli SA a base di ZnO nei laser a fibra drogata con erbio/itterbio hanno attirato molta attenzione da parte dei ricercatori. Le caratteristiche fondamentali di un SA ideale sono la stabilità a lungo termine, l'elevata soglia di danno, i tempi di recupero rapidi, la bassa intensità di saturazione, la profondità di modulazione ottimale e la facilità di fabbricazione e implementazione nella cavità laser. Il complicato allineamento ottico, la stabilità, i complessi processi di fabbricazione e la sensibilità ambientale limitano le applicazioni pratiche degli SA per le operazioni di Q-switching e mode-locking. Molte tecniche sperimentali come la deposizione di nanoparticelle su una ghiera di fibra19,20, il metodo della soluzione (SM)21,22,23 e la tecnica di deposizione laser pulsata (PLDT)24,25 sono state proposte e dimostrate per fabbricare SA in cavità laser per Q -commutazione e blocco della modalità degli impulsi ottici. Tuttavia, gli SA preparati utilizzando tecniche convenzionali come SM e tecniche basate su nanoparticelle sono altamente instabili e difficili da allineare all'interno della cavità laser poiché sono sensibili all'ambiente e hanno una soglia di danno bassa. In letteratura è stata riportata la stabilità a breve termine dell'EDFL e la potenza di uscita degli spettri ottici è stata misurata per 30–60 minuti26,27,28,29. La stabilità temporale a breve termine limita le applicazioni pratiche dei laser a fibra pulsata dove è richiesto un funzionamento a impulsi costante e stabile per un lungo periodo. Per affrontare questa sfida, abbiamo prima misurato la stabilità del nostro EDFL proposto in termini di tensione picco-picco (VP–P) del funzionamento a impulsi di uscita per 5 ore continue. Inoltre, è altamente auspicabile un confronto tra le varie tecniche sperimentali proposte per identificare l'approccio migliore per la fabbricazione di SA altamente stabili per laser a fibra che siano facili da allineare e forniscano un'elevata soglia di danno all'interno delle cavità laser.