Ultraschneller Faserlaser bei 1570 nm basierend auf organischem Material als sättigbarem Absorber

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13288 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit haben wir Poly(3,4-ethylendioxythiophen): Poly(styrolsulfonat) (PEDOT: PSS) als sättigbaren Absorber (SA) demonstriert, um einen Modenkopplungsbetrieb in unterschiedlichen Längen von Erbium-dotierten Faserlasern (EDFL) zu erzeugen. Das PEDOT: PSS wurde in Polyvinylalkohol eingebettet, um einen dünnen Film zu bilden, der als Absorber im Laseraufbau fungiert. Die drei verschiedenen modengekoppelten EDFL wurden mit unterschiedlicher Hohlraumlänge und unterschiedlichem Ausgangskopplerverhältnis erfolgreich demonstriert. Die Pulswiederholungsrate/-breite von 3,417 MHz/710 fs, 4,831 MHz/510 fs und 6,049 MHz/460 fs wurde durch Verwendung eines optischen Kopplers/Hohlraumlänge von 20:80/60,7 m, 10:90/42,7 m und erreicht 5:95 bzw. 33,7 m. Alle Experimente erzeugten einen stabilen und modengekoppelten Betrieb bei einer zentralen Wellenlänge von 1570,76 nm, 1570,3 nm und 1569,95 nm mit einer 3-dB-Bandbreite von 4,8 nm, 5,6 nm bzw. 6,5 nm. Die Langzeitstabilität der ultraschnellen Faserlaser wurde für jeden Aufbau über 120 Minuten untersucht. Das vorgeschlagene PEDOT: PSS hat sich als vielversprechendes Material zur Induktion des Modenkopplungsvorgangs in verschiedenen Faserlaseranordnungen erwiesen.

Eine Vielzahl photonischer Systeme wie nichtlineare Optik und All-Fiber-Seeing wurden durch die besonderen Eigenschaften von Erbium-dotierten Faserlasern (EDFLs) revolutioniert. Das enorme Wachstum des Forschungsinteresses an EDFLs wird auf ihre Fähigkeit zurückgeführt, abstimmbare Ausgänge mit perfekter Strahlqualität, geringem Einfügungsverlust, hoher Ausgangsleistung und schmaler Linienbreite zu erzeugen1,2. Diese Faserlaser können entweder im Pulsmodus oder im Dauerstrichbetrieb (CW) betrieben werden. Gepulste EDFLs beziehen sich auf ultraschnelle Laser mit hoher Spitzenleistung, die im Güteschalt3- oder Modenkopplungs4-Betrieb arbeiten. Die modengekoppelten EDFLs werden aufgrund ihrer besonderen Fähigkeit, durch aktive oder passive Techniken Femtosekundenpulse zu erzeugen, häufig in optischen Kommunikationsanwendungen mit hoher Kapazität eingesetzt5. Die aktive Technik erforderte externe Modulatoren und elektronische Komponenten wie fotoelektrische Modulatoren und akustische Optik6, was das System unflexibel und teuer machte. Während die passive Technik eine luftdichtere und vielfältigere Lösung bietet. Sättigbare Absorber (SAs) sind ein Schlüssel zur Erzeugung ultraschneller Laser in der passiven Technik, die in echte und künstliche SAs eingeteilt werden können. Künstliche SAs sind die Bildung optischer Komponenten, wie z. B. nichtlineare Polarisationsentwicklung (NPE)7, nichtlineare Verstärkungsschleifenspiegel (NALMs)8 und nichtlineare optische Schleifenspiegel (NOLMs)9. Künstliche SAs erforderten die Bildung mehrerer optischer Komponenten und eine Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, was ihre Durchführbarkeit einschränkte. Als echte SAs wurden Halbleiter-Sättigungsabsorberspiegel (SESAMs)10 verwendet. Leider weisen SESAMs viele Nachteile auf, darunter hohe Kosten, eine geringe Betriebsbandbreite, eine niedrige Schadensschwelle und einen komplexen Aufbau11. Daher werden neue Material-SAs zum Hauptforschungsschwerpunkt, um ultraschnelle Phänomene in Faserlasersystemen zu induzieren. Es gibt viele zweidimensionale (2D) und neue Materialien, die als SAs zur Erzeugung gepulster Laser vorgeschlagen wurden, darunter Graphen12, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs)13, schwarzer Phosphor (BP)14, Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs)15,16, 17 und topologische Isolatoren (TIs)18,19,20. Diese Materialien haben aufgrund ihrer außergewöhnlichen Leistung in Bezug auf Absorption21, Größe22, chemische Stabilität23 und Erholungszeit24 ein großes Potenzial als SA bewiesen. Kürzlich wurden organische Materialien (OMs) als neu aufkommende Materialien hervorgehoben, die eine große Flexibilität, thermische Stabilität und Filmbildungsfähigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von OMs in Spitzentechnologien. Es überrascht nicht, dass sich die OM-Anwendung auf ultraschnelle Laseranwendungen ausdehnt. Beispielsweise wurde berichtet, dass Polymere aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT: PSS), einem Mitglied von OM, Pikosekundenimpulse in Faserlasersystemen induzieren25. Allerdings ist die Untersuchung des Potenzials von OM, ultraschnelle Laser zu induzieren, im Vergleich zu anderen neuen Materialien noch dürftig.

In diesem Experiment haben wir einen PEDOT: PSS-basierten SA als passiven Modulator demonstriert, um einen Modenkopplungsbetrieb im EDFL-L-Band-Bereich zu erzeugen. Das PEDOT: PSS SA wurde durch Einbetten von PEDOT: PSS-Pulver in ein Polyvinylalkohol (PVA)-Wirtspolymer hergestellt. Aufgrund der physikalischen Flexibilität, der Filmbildungseigenschaft und der thermischen Stabilität zeigt PEDOT: PSS ein großes Potenzial für vielseitige Anwendungen26,27, insbesondere in photonischen Anwendungen. Der vorgeschlagene SA-Film erzielte hervorragende Ergebnisse mit einer Modulationstiefe von 50 % und einer Sättigungsintensität von 32 MW/cm2. Durch die Verwendung eines optischen Kopplers (OC)/Hohlraumlänge von 20 wurden stabile modengekoppelte Signale in verschiedenen EDFL-Konfigurationen mit einer Pulsbreite/maximalen Ausgangsleistung von 710 fs/20,07 mW, 510 fs/15,82 mW und 460 fs/11,89 mW erhalten :80/60,7 m, 10:90/42,7 m bzw. 5:95/33,7 m.

PEDOT ist aufgrund seiner Stabilität in der Luft, Feuchtigkeitsbeständigkeit und hohen Leitfähigkeit eines der am meisten erforschten und am weitesten verbreiteten OM. Es kann auch elektrochemisch oder chemisch aus 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) polymerisiert werden. Allerdings ist PEDOT mit Gegenionen kleiner Moleküle dotiert, die in keinem Lösungsmittel löslich sind und für die Herstellung im großen Maßstab schwer zugänglich sind 28. Wenn die Polymerisation mit dem aquatischen Polyelektrolyten Poly(styrolsulfonat) (PSS) durchgeführt wird, ist es wasserdispergierbar und ermöglicht eine gute Filmformatierung Eigenschaften, stabil und einfach zu verarbeiten. Das PSS fungiert durch Gegenionen des Ladungsausgleichs und der Polymerisation als Form, die die Dispergierung der kationischen PEDOT-Segmente in einem wässrigen Medium aufrechterhält. Die hydrophile PSS- und hydrophobe PEDOT-Natur führte zur Kern-Schale-Struktur 29,30. Das Molekulargewicht von PSS und PEDOT beträgt etwa 400.000 g/mol bzw. 1000–2500 g/mol. PVA ist ein Polymermaterial mit einzigartigen und hervorragenden Eigenschaften wie biologisch abbaubar, ungiftig und vollständig wasserlöslich31. Das Verfahren zur Herstellung des Absorberfilms bestand darin, 1 mg PEDOT: PSS in 10 ml entionisiertem (DI) Wasser bei 60 °C für 60 Minuten aufzulösen. Während des Herstellungsprozesses der PEDOT:PSS-Lösung wurde Aceton hinzugefügt, um das PEDOT:PSS-Nanopulver aufzulösen. Als nächstes bereiteten wir das PVA vor, indem wir 1 g PVA in 100 ml entionisiertem Wasser unter Rühren in einem Ultraschallrührer etwa 120 Minuten lang vermischten. Anschließend wurde eine Lösung der PEDOT:PSS-PVA-Mischung über 5 ml der PVA-Lösung nach dem Herstellungsprozess zu PEDOT:PSS-Lösung durch etwa 180-minütiges Rühren bei 45 °C hergestellt. Abschließend wurde die Lösungsmischung in eine Kunststoffform mit 60 mm Durchmesser umgefüllt und 3 Tage lang zu einem dünnen Film getrocknet. Die Filmdicke wurde mit etwa 50 µm gemessen. In dieser Arbeit wurde PEDOT:PSS in unterschiedlichen Rührzeiten und mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen hergestellt. Die beste Leistung eines gepulsten Lasers wurde durch diesen oben beschriebenen Prozess in einer kontrollierten Laborumgebung erzielt. Abbildung 1 zeigt zwei verschiedene Proben von REM-Bildern, die für den vorgeschlagenen SA-Film aufgenommen wurden. Die erste Probe zeigte, dass die PEDOT:PSS-Partikel innerhalb eines Bereichs von 100 µm homogen mit PVA verteilt waren. Es wurden kleine Partikel entdeckt, die zu PEDOT gehören: PSS-Agglomerationspulver. Der Einschub ist ein REM-Bild, das mit einer höheren Vergrößerung des SA-Films im 10-μm-Bereich aufgenommen wurde und viele Falten auf der Oberfläche zeigt, die durch den Tempervorgang bei Raumtemperatur entstanden sind. Die Dicke des SA-Films wird mit etwa 50 µm gemessen. Es hat einen Einfügungsverlust von etwa 0,5 dB bei vernachlässigbarem polarisationsabhängigem Verlust (PDL). Wir haben in den drei verschiedenen Experimenten dieselbe SA verwendet.

Das REM-Bild des Absorberfilms.

Abbildung 2a zeigt das optische Absorptionsspektrum des SA-Films. Drei breite und asymmetrische Peaks mit der Mitte bei 216 nm, 302 nm bzw. 384 nm. Diese Peaks entsprechen dem \(\pi \to {\pi }^{*}\)-Übergang von PSS-, PVA- und PEDOT-Molekülen aufgrund ungesättigter Bindungen32,33. Die optische Bandlücke (Eg) des SA-Films kann auf der Grundlage der Gleichung (αhv)2 = B(hv-Eg) berechnet werden, da n gleich 2 für den direkten Übergang ist, α der Absorptionskoeffizient ist, B konstant relativ ist und hv ist die Photonenenergie, die mit der folgenden Gleichung gemessen werden kann: α(v) = 2,303 × Abs (λ)/d, da d die SA-Filmdicke ist. Wir können die optische Bandlücke durch lineare Extrapolation auf der Achse von (αhv)2 gegenüber hv erhalten. Abbildung 2b zeigt zwei Bandlückenwerte, die bei 3,2 und 4,1 eV ermittelt wurden und zum modifizierten PVA und PEDOT gehörten: PSS34,35.

Die Charakterisierung des SA-Films (a) das optische Absorptionsspektrum, (b) die optische Bandlückenkurve und (c) die nichtlineare Absorptionskurve.

Die nichtlineare Absorption des PEDOT: PSS PVA wurde mithilfe einer standardmäßigen 2-Arm-Transmissionsmessmethode untersucht. Als gepulste Quelle wurde ein stabiler modengekoppelter Laser mit einer Wellenlänge von 1570 nm verwendet. Die Pulswiederholungsrate und die Pulsdauer des Lasers betrugen 6,049 MHz bzw. 460 fs. Die Impulsquelle wurde durch EDFA verstärkt und mit einem Abschwächer verbunden, um die Laserausgangsleistung zu verändern. Dann wurde der 3-dB-Koppler zur Aufteilung der Ausgangsleistung verwendet. Ein Port wurde als Referenz und ein anderer Port für die leistungsabhängige Transmissionsmessung des SA-Films verwendet. Die Modulationstiefe des SA-Films wurde zu etwa 50 % mit einer Sättigungsintensität von 0,14 MW/cm2 erreicht, was höher ist als bei anderen neueren Arbeiten36,37,38, wie in Abb. 2c gezeigt.

In diesem Abschnitt wurden modengekoppelte EDFL in drei verschiedenen Hohlraumlängen und Ausgangskopplerverhältnissen demonstriert. Abbildung 3 zeigt die vorgeschlagene Struktur des modengekoppelten Lasers, der eine 0,5 m lange WDM-Faser, einen 2,0 m langen EDF, einen optischen Isolator, einen Ausgangskoppler, einen Polarisationsregler (PC) und eine zusätzliche Singlemode-Faser enthält (SMF) Abschnitt. Der EDF hat einen Kerndurchmesser, eine numerische Apertur und eine Erbiumionenabsorption von 4 μm, 0,16 und 23 dB/m bei 980 nm. Die 2 m lange Erbiumfaser ermöglicht die Elektronenverlegung im unteren Besetzungsband des Energiebandes während des Besetzungsinversionsprozesses und die Induktion von Laserstrahlung bei längeren Wellenlängen. Eine 980-nm-Laserdiode wurde verwendet, um den EDF durch WDM zu pumpen. Es erzeugte Photonen, die in der Kavität oszillierten, einen Laser bildeten und durch den Ausgangskoppler austraten. Ein Isolator wurde verwendet, um sicherzustellen, dass sich das unidirektionale Laserlicht in den Ringhohlraum ausbreitete. Ein Polarisationsregler (PC) wurde verwendet, um den Polarisationszustand des oszillierenden Lasers anzupassen und den Modenkopplungsprozess zu optimieren. Die EDF-, SMF- und WDM-Faser hat eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) von 27,6 \({\text{ps}}^{2}\text{/km}\), − 21,7 \({\text{ps}} ^{2}\text{/km}\) bzw. − 48,5 \({\text{ps}}^{2}\text{/km}\). Für drei Experimente wurde ein 50, 32 und 20 m langes zusätzliches SMF in die Ringlaserkavität integriert. Ein Oszilloskop (OSC) (INSTEK GDS-3352) und ein Hochfrequenz-Spektrumanalysator (RF) (Anritsu MS2683A) wurden verwendet, um die Impulsfolge im Zeit- bzw. Frequenzbereich über einen schnellen InGaAs-Fotodetektor zu überwachen. Der optische Spektrumanalysator (OSA) (YOKOGAWA AQ6370C) mit einer Auflösung von 0,02 nm zur Untersuchung des modengekoppelten Lasers im Wellenlängenbereich. Während der optische Leistungsmesser zur Messung der Ausgangsleistung des gepulsten Faserlaserbetriebs verwendet wurde. Zur Messung der Pulsdauer der modengekoppelten Pulse wurde ein Autokorrelator (APE PulseCheck) verwendet.

Laserkonfiguration des modengekoppelten EDFL-Betriebs.

Zunächst wurde ein 50 m langes SMF in den Ringhohlraum eingefügt, während ein 20:80-Ausgangskoppler verwendet wurde, sodass 20 % des Ausgangs für die Analyse extrahiert werden konnten. Die 80 % wurden in den Hohlraum zurückgeleitet, um zu oszillieren und mit dem SA zu interagieren, um modengekoppelte Impulse zu erzeugen. In diesem Experiment betrug die gesamte Hohlraumlänge etwa 60,7 m und die Nettohohlraumstreuung wurde auf − 1,43 \({\text{ps}}^{2}\) geschätzt. Die CW-Laserschwelle bei einer Pumpleistung von 10 mW. Als die LD-Leistung allmählich auf 134 mW anstieg, konnte erfolgreich eine selbststartende Modenkopplung erzeugt werden. Obwohl PEDOT: PSS: SA unterhalb der materiellen Bandlücke arbeitete, startete es aufgrund von kantenbezogenen Subbandlückenfällen modusgesperrt39. Der modengekoppelte EDFL wurde bis zu einer maximalen Pumpleistung von 300 mW mit einer Wiederholungsrate von 3,417 MHz aufrechterhalten.

Die typische Zeitbereichscharakteristik des modengekoppelten EDFL bei maximaler LD-Eingangsleistung von 300 mW ist in Abb. 4a dargestellt. Der Pulszug war sehr regelmäßig, mit einer Pulswiederholungsrate von 3,417 MHz und einer Pulsperiode von 292,6 ns, was der Hohlraumlänge im Erbiumlaser entspricht. Die Modenkopplung funktionierte stabil im Pumpleistungsbereich von 134 bis 300 mW. Abbildung 4b zeigt die Impulsenergie und die durchschnittliche Ausgangsleistung im Vergleich zur LD-Eingangsleistung. Bei einer Pumpleistung von 300 mW werden die maximale Pulsenergie und die mittlere Ausgangsleistung bei 5,87 nJ bzw. 20,07 mW erreicht.

Charakteristik des modengekoppelten EDFL-Betriebs (a) Impulsfolge im Zeitbereich, (b) Änderung der Impulsenergie und Ausgangsleistung mit der Pumpleistung, (c) optisches Spektrum und (d) Autokorrelatorkurve.

Das optische Spektrum des modengekoppelten EDFL bei einer Pumpleistung von 300 mW ist in Abb. 4c dargestellt. Der modenverriegelnde Impuls arbeitete bei einer zentralen Wellenlänge von 1570,76 nm mit einer 3-dB-Bandbreite von 4,8 nm. Die Kelly-Seitenbänder wurden im Solitonenspektrum beobachtet. Dies war vorhersehbar, da der modengekoppelte EDFL im anomalen Dispersionsbereich arbeitete, der die Solitonenimpulsformung durch Selbstphasenmodulation (SPM) und das GVD-Wechselspiel erleichterte. Die leichten Einbrüche am Seitenband werden auf den Effekt der Vierwellenmischung (FWM) zwischen dem Soliton und der dispersiven Welle zurückgeführt, die durch den periodischen Energieaustausch im Faserlaser induziert wird40. Es entsprach Kellys Seitenbändern, die auf beiden Seiten des optischen Spektrums sichtbar sind, da der Gesamtdispersionswert des Hohlraums mit etwa − 1,43 \({\text{ps}}^{2}\) gemessen wurde. Die Autokorrelationsspur des Soliton-Modenkopplungslasers ist in Abb. 4d dargestellt. Das Pulsmuster folgt einem \({\text{sech}}^{2}\) Pulsprofil mit einer Dauer von 710 fs und ein Zeit-Bandbreiten-Produkt (TBP) wurde mit ~ 0,414 gemessen, was darauf hinweist, dass der Puls leicht ist zwitscherte. Dieses Zirpen kann teilweise auf die Dispersion dritter Ordnung zurückzuführen sein. Ein weiterer Faktor könnte die spektrale Filterung durch das ungleichmäßige Erbium-Verstärkungsmedium sein41. Es wird außerdem festgestellt, dass die Änderung der Raumtemperatur keinen Einfluss auf die Leistung des modengekoppelten EDFL hat.

Abbildung 5a zeigt das HF-Spektrum des modengekoppelten EDFL-Betriebs bei 300 mW Eingangsleistung und 138 MHz Frequenzspanne. Die Grundfrequenz wurde mit 3,417 MHz aufgezeichnet, was der Länge des Laserhohlraums entspricht, und wird auf der Grundlage der Gleichung \(\text{f=c/nL}\) geschätzt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und n die ist Brechungsindex einer optischen Faser und L ist die Hohlraumlänge. Da L 60,7 m, c 3 × 108 und n 1,44 bei 1500 nm beträgt, wurde die Grundfrequenz auf 3,432 MHz geschätzt. Die theoretischen Berechnungen der Frequenz entsprechen der Frequenz der experimentellen Arbeit, die etwa 3,417 MHz erreichte. Das SNR von 69 dB bei 3,417 MHz bewies die Stabilität der Modenkopplung im Hohlraum42. Die Langzeitbewertung des modengekoppelten EDFL-Betriebs ist in Abb. 5b dargestellt. Der stabile solitonenmodengekoppelte EDFL wurde im Labor bis zu 2 Stunden lang ohne merklichen Abfall der Pulsfolge und der Leistung des HF-Spektrums erzeugt. Die Ausgangsspektren wurden alle 5 Minuten über einen Gesamtzeitraum von 2 Stunden aufgenommen, da die zentrale Wellenlänge, die 3-dB-Bandbreite und die Spitzenwellenlänge konstant bei 1570,76 nm, 4,8 nm bzw. –32,34 dBm betrieben wurden.

Modengekoppelte EDFL-Leistung mit 60,7 m Hohlraumlänge (a) HF-Spektrum und (b) Langzeitstabilität.

Im zweiten Experiment wurde 32 m langes SMF in den EDFL-Hohlraum eingebracht, um eine Hohlraumlänge von 42,7 m mit einer Nettohohlraumstreuung von – 1,02 \({\text{ps}}^{2}\) zu bilden. Um das optimale Ergebnis zu erzielen, wurde anstelle eines 80:20-Kopplers ein 90:10-Ausgangskoppler verwendet. Der modengekoppelte Impuls wurde als LD-Eingangsleistung mit kleinerem Schwellenwert von 129 mW realisiert. Der Modenkopplungsbetrieb wurde bis zu einer Pumpleistung von 295 mW aufrechterhalten. Abbildung 6a zeigt den modengekoppelten EDFL-Pulszug mit einer Pulswiederholungsrate von 4,831 MHz bei der maximalen Pumpleistung von 295 mW. Die Pulsperiode wurde bei etwa 207 ns gemessen, was gut mit der Hohlraumlänge übereinstimmt. Die Grundfrequenz wurde anhand der Hohlraumlänge geschätzt, die basierend auf der vorherigen Gleichung etwa 4,879 MHz betrug, da die Gesamthohlraumlänge etwa 41,7 m betrug. Abbildung 6b zeigt die Impulsenergie und die Ausgangsleistung des modengekoppelten EDFL-Betriebs, aufgetragen gegen die LD-Eingangsleistung. Als die Pumpleistung von 129 auf 295 mW erhöht wurde, erhöhte sich die Pulsenergie von 1,94 auf 3,27 nJ, während die Ausgangsleistung von 9,41 auf 15,82 mW stieg.

Zeitliche und spektrale Eigenschaften des Solitonenpulses mit 35 m Hohlraumlänge (a) typischer Pulszug, (b) Pulsenergie und Ausgangsleistung ändern sich mit der Pumpleistung, (c) Ausgangsspektrum und (d) Autokorrelatorspur.

Das Ausgangsspektrum des modengekoppelten EDFL-Betriebs ist in Abb. 6c dargestellt. Die Modenkopplung wurde bei einer zentralen Wellenlänge von 1570,3 nm mit einer 3-dB-Bandbreite von 5,6 nm betrieben. Aufgrund der kürzeren Hohlraumlänge und des 90:10-Kopplers arbeitete der Laser mit einer kürzeren Wellenlänge als der vorherige Hohlraumlaser, was wiederum den gesamten Hohlraumverlust reduzierte. Abbildung 6d zeigt die Autokorrelationsverfolgung der Pulsdauermessung des modengekoppelten EDFL-Betriebs, da die Pulsbreite 510 fs betrug. Wie vorhergesagt, ist die Impulsbreite aufgrund der größeren aufgezeichneten 3-dB-Bandbreite kürzer als im vorherigen Experiment. Der TBP wurde mit ~ 0,35 berechnet, was im Vergleich zum vorherigen Aufbau näher am transformationsbegrenzten TBP für \({\text{sech}}^{2}\)-Impulse von 0,315 liegt.

Abbildung 7a zeigt das HF-Spektrum des modengekoppelten Betriebs. Es zeigt eine Grundfrequenz bei 4,831 MHz. mit SNR von 71 dB. Die Stabilität des Laserbetriebs wurde weiter untersucht, indem eine 120-minütige Beobachtung durchgeführt wurde, wie in Abb. 7b gezeigt. Der Laserbetrieb verlief stabil, ohne dass es zu einem merklichen Abfall der Pulsfolge und der Leistung des HF-Spektrums kam.

Modengekoppelte EDFL-Leistung mit 42,7 m Hohlraumlänge (a) HF-Spektrum und (b) Langzeitstabilität.

Im dritten Experiment wird die Hohlraumlänge weiter auf 33,7 m reduziert, um die Modenkopplungsleistung des Lasers zu verbessern. Ein 20 m langes zusätzliches SMF wurde in den Laserringhohlraum integriert, um die Hohlraumdispersion von − 0,84 \({\text{ps}}^{2}\) zu erreichen. In der vorgeschlagenen Kavität wurde ein 95:5-Ausgangskoppler verwendet, um die Verluste in der Laserkavität weiter zu reduzieren und eine kürzere Impulsbreite zu erreichen. Bei der Schwellenpumpleistung von 124 mW wurde erfolgreich ein selbststartender Solitonenimpuls erzeugt. Der Laser arbeitete mit einer konstanten Pulswiederholungsrate von 6,049 MHz und einer Pumpleistung von 124 bis 290 mW. Abbildung 8a zeigt eine typische Impulsfolge bei einer Pumpleistung von 290 mW, was auf eine identische modengekoppelte Impulsfolge ohne nennenswerte Instabilitäten oder Verzerrungen hinweist. Die Pulsperiode beträgt etwa 165,3 ns, was der Hohlraumlänge und der Wiederholungsrate entspricht. Die Impulsenergie und die durchschnittliche Ausgangsleistung stiegen linear mit der Erhöhung der Pumpleistung, wie in Abb. 8b dargestellt. Bei der maximalen Pumpleistung von 290 mW werden die Pulsenergie und die durchschnittliche Ausgangsleistung mit 1,96 nJ bzw. 11,89 mW gemessen.

Spektrale und zeitliche Eigenschaften des Solitonenpulses mit 33,7 m Hohlraumlänge (a) typischer Pulszug, (b) Pulsenergie und Ausgangsleistung ändern sich mit der Pumpleistung (c) Laserwellenlänge (d) Autokorrelatorspur.

Abbildung 8c zeigt das optische Ausgangsspektrum bei einer Pumpleistung von 290 mW. Der Laser arbeitete als Solitonenspektrum bei einer zentralen Wellenlänge von 1569,95 nm mit einer 3-dB-Bandbreite von 6,5 nm. Der modengekoppelte EDFL arbeitete bei anomaler Hohlraumdispersion und wurde durch Kelly-Seitenbänder nachgewiesen43. Die Laserwellenlänge zeigte symmetrische Kelly-Seitenbänder mit einem Abstand zu den zentralen Wellenlängen von 2,9, 6,9 und 10,9 nm für die erste, zweite bzw. dritte Ordnung. Der Abstand hängt von der Pulsdauer, der Betriebswellenlänge und der gesamten Nettodispersion ab44. Abbildung 8d zeigt die Autokorrelationskurve mit sech2-Anpassung, die eine Impulsbreite von 460 fs hat. Der TBP beträgt 0,363, was nahe am transformationsbegrenzten Wert von 0,315 liegt, was darauf hindeutet, dass der Puls leicht gechirpt ist.

Das HF-Ausgangsspektrum wurde wie in Abb. 9a dargestellt aufgezeichnet. Die Grundfrequenz des Lasers (6,049 MHz) weist ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von ~ 75 dB auf, was die Stabilität des Lasers weiter bestätigt. Die Langzeitbewertung des Laserbetriebs ist in Abb. 9b dargestellt. Der modengekoppelte EDFL arbeitete im Labor bis zu 2 Stunden lang stabil, ohne dass es zu einem merklichen Abfall der Pulsfolge und der Leistung des HF-Spektrums kam. Die Ausgangsspektren wurden alle 5 Minuten über einen Gesamtzeitraum von 2 Stunden aufgenommen, wobei die zentrale Wellenlänge, die 3-dB-Bandbreite und die Spitzenintensität des Spektrums bei 1569,95 nm, 6,5 nm bzw. –23,69 dBm gehalten wurden.

Modengekoppelte EDFL-Leistung mit 33,7 m Hohlraumlänge (a) HF-Spektrum und (b) Langzeitauswertung.

Alle Experimente erzeugten stabile Pulsfolgen mit hervorragender Leistung für die Entwicklung modengekoppelter Hochleistungslaser. Tabelle 1 zeigt die drei modengekoppelten EDFL-Operationen basierend auf der Hohlraumlänge und dem Ausgangskopplerverhältnis. Durch die drei verschiedenen Modenkopplungen wurde ein Laser mit hoher Ausgangsstabilität und hervorragender Leistung erreicht. In den Experimenten hat sich PEDOT: PSS als außergewöhnliche SA-Funktion zur Erzeugung ultraschneller Laser mit guter Langzeitstabilität und Wiederverwendbarkeit in verschiedenen Dispersionsresonatoren erwiesen.

Im Zuge der Entwicklung sättigbarer Absorber wurde berichtet, dass viele Materialien einen Modenkopplungsvorgang in Faserlasersystemen induzieren, darunter TMDs45,46,47,48,49,50, TIs51,52,53, MXene54 und andere neue Materialien55,56. 57,58. Diese Materialien haben bewiesen, dass sie ultraschnelle Phänomene auslösen können, die von der Pikosekunde bis zur Femtosekunde reichen. Im Vergleich zu dieser Arbeit haben wir eine Pulsbreite von 460 fs mit einer Pulsenergie von 1,96 nJ erreicht. Auch wenn dies nicht das beste Ergebnis unter den berichteten Arbeiten ist, ist es doch mit den meisten der berichteten Literaturen vergleichbar. Noch wichtiger ist, dass PEDOT: PSS als Familienmitglied von OM außergewöhnliche physikalische Eigenschaften geerbt hat, einschließlich thermischer Stabilität und Filmbildungsfähigkeit. Die in dieser Arbeit berichteten Ergebnisse bewiesen das große Potenzial von PEDOT: PSS als sättigbarer Absorber. Somit könnte es eine Alternative als sättigbares Absorbermaterial sein, um den unterschiedlichen Anforderungen der Industrie gerecht zu werden.

Ultraschnelle Laser wurden erfolgreich mit PEDOT: PSS-basierter SA in Ringhohlräumen demonstriert, die in einem L-Band betrieben wurden. Die erste SA wurde durch Einbetten des PEDOT: PSS in einen PVA-Film erhalten. Es hat eine Modulationstiefe von 50 % mit einer Sättigungsintensität von 0,15 \({\text{M}}{\text{W/cm}}^{2}\). Basierend auf drei unterschiedlichen Hohlraumlängen wurden drei verschiedene Solitonen-modengekoppelte Impulse demonstriert. Der Laser arbeitete mit einer Pulswiederholungsrate/-breite von 3,417 MHz/710 fs, 4,831 MHz/510 fs und 6,049 MHz/460 fs unter Verwendung eines optischen Kopplers (OC)/Hohlraumlänge von 20:80/60,7, 10:90 /42,7 bzw. 5:95/33,7 m. Diese Laser erzeugten stabile Solitonenimpulse bei einer zentralen Wellenlänge von etwa 1570 nm.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Zian Cheak Tiu

Fachbereich Physik, Fakultät für Naturwissenschaften und Technologie, Airlangga-Universität, Surabaya, 60115, Indonesien

M. Yasin & SW Harun

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 17. Mai 2022

Angenommen: 29. Juli 2022

Veröffentlicht: 02. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17724-9

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