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May 19, 2023

Rapports scientifiques volume 6, Numéro d'article : 23759 (2016) Citer cet article

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Des supercontinua super-plats sont générés à partir d'un amplificateur à fibre dopée Tm à double gaine. Deux configurations laser différentes sont étudiées et comparées. Dans la configuration à sortie directe, le bord de grande longueur d'onde des spectres de supercontinuum est étendu au-delà de 2,65 μm avec une bande passante de 10 dB de 740 nm. Dans la configuration en queue de cochon passive, le supercontinuum généré présente une excellente planéité avec une différence d'intensité inférieure à 1 dB dans la large gamme spectrale centrale de 1,98 μm à 2,41 μm.

Le supercontinuum est étudié depuis des décennies car ses caractéristiques spectrales à large bande promettent d'énormes potentiels dans de nombreux domaines de recherche importants et applications pratiques1,2,3. Jusqu'à présent, de nombreuses sources de supercontinuum différentes ont été développées avec différentes sources de pompage, telles que les lasers à fibre dopée Yb4,5 et les lasers à fibre dopée Er6,7,8,9, dans diverses fibres, y compris les fibres monomodes conventionnelles3,9, GeO2 fibres10,11,12, fibres hautement non linéaires13,14, fibres à cristaux photoniques5,15,16 et fibres ZBLAN17,18,19,20,21.

En outre, les fibres actives, en particulier les fibres dopées au Tm, se sont également révélées être un moyen efficace pour la génération de supercontinuum8,9,10,22,23,24. Et, parallèlement au développement rapide des lasers à fibre dopée au Tm, les sources laser de 2 μm ont démontré leurs avantages incomparables en tant que pompe idéale dans la génération de supercontinuum infrarouge moyen17,18,19,20,21. Comme la fibre dopée au Tm pourrait être utilisée non seulement comme milieu de gain pour la source laser de 2 μm mais aussi comme milieu non linéaire pour la génération de supercontinuum, un système de supercontinuum à base de fibre dopée au Tm serait préférable. Dans les systèmes de supercontinuum basés sur des fibres dopées au Tm, le processus de génération de supercontinuum présente des mécanismes physiques plus compliqués à partir de fibres passives, car les transitions 3F4-3H6 et 3H4-3H5 dans les ions Tm jouent également un rôle important dans l'élargissement spectral8,22,23,24, 25.

Dès 2007, S. Kivisto et ses collègues ont rapporté la génération de supercontinuum dans des amplificateurs à fibre codopée Tm/Ho allant de 1,95 μm à 2,25 μm26. En 2013, J. Liu a démontré une source de supercontinuum à haute puissance à partir d'un amplificateur à fibre dopée Tm à trois étages, et la gamme spectrale est étendue au-delà de 2,4 μm27. Plus tard, en 2014, VV Dvoyrin a étendu le côté grande longueur d'onde à 2,5 μm avec un seul amplificateur à un étage28. Cependant, dans ces rapports, la planéité du supercontinu généré n'est pas satisfaisante avec des différences d'intensité d'environ 10 dB.

Dans nos travaux précédents, des sources laser 2 μm pulsées ont été construites29,30,31. Dans ce rapport, en exploitant la source laser 2 μm auto-développée comme graine, avec un LD 793 nm comme pompe, un amplificateur à fibre dopée Tm pour la génération de supercontinuum est développé. Et, deux configurations différentes de génération de supercontinuum, à savoir la configuration à sortie directe et la configuration en queue de cochon passive, sont étudiées. Dans la configuration à sortie directe, la sortie laser est directement mesurée à l'extrémité de sortie de la fibre dopée Tm à double gaine. Autrement, dans la configuration en queue de cochon, une section de fibre passive est épissée à l'extrémité de sortie de la fibre dopée Tm à double gaine. Et, la sortie laser est enregistrée à l'extrémité de sortie clivée en angle de la fibre passive. Le supercontinuum est observé dans les deux schémas, mais avec des caractéristiques différentes. Dans la configuration à sortie directe, la bande passante de 3 dB du supercontinuum généré atteint environ 600 nm, tandis que, dans la configuration en queue de cochon, un supercontinuum super plat est atteint avec une différence d'intensité de seulement 0,87 dB dans la large plage spectrale centrale de 1,98 μm à 2,41 μm.

Dans le système laser, la graine laser pulsée de 2 μm exploitée a une puissance de sortie maximale de 1,1 W avec un taux de répétition réglable de 20 kHz à 100 kHz. À 20 kHz, taux de répétition, la graine fonctionne en mode de verrouillage de mode à commutation de gain29,30,31 où l'enveloppe à commutation de gain de 100 ns contient des dizaines de sous-impulsions d'une durée d'environ 8 ns. À des taux de répétition plus élevés, la graine fonctionne en mode de commutation de gain avec une durée d'impulsion d'environ 50 ns. La fibre d'amplification est une section de fibre dopée au Tm double gaine de 7 m de long (Nufern, 10P/130) avec un coefficient d'absorption d'environ 3 dB/m à 793 nm. Le cœur de la fibre hexagonale a un NA de 0,15 et un diamètre de cœur de 10 μm. Le diamètre de la gaine de la fibre est de 130 µm.

Tout d'abord, les caractéristiques de sortie de l'amplificateur à fibre dopée Tm à double gaine dans la configuration de sortie directe à un taux de répétition de 60 kHz sont étudiées. Et, les résultats sont donnés sur la figure 1 avec la figure 1 (a) présentant le spectre laser et la figure 1 (b) représentant la puissance de sortie.

Caractéristiques de sortie de l'amplificateur à fibre dopée Tm à double gaine à un taux de répétition de 60 kHz : (a) spectre de sortie de l'amplificateur ; (b) puissance de sortie par rapport à la puissance de pompe lancée.

Le pointillé court sur la figure 1 (a) montre le spectre mesuré du grain laser pulsé de 2 μm après propagation à travers la fibre dopée Tm à double gaine de 7 m de long. Et, la ligne pointillée et continue représente le spectre d'émission spontanée amplifiée (ASE) de la fibre dopée Tm et le spectre de sortie de l'amplificateur à 4 W 793 nm pompe, respectivement. Comme on peut le constater, le spectre de départ est centré autour de 1,95 μm avec une largeur de raie à 3 dB d'environ 14 nm, l'ASE est centré à 2 μm avec une bande passante de 3 dB d'environ 45 nm, tandis que le spectre de l'amplificateur est la combinaison des deux. Il convient de noter que le spectre de départ et le spectre ASE proviennent de la transition 3F4-3H6 dans les ions Tm25. L'efficacité de la pente de l'amplificateur, illustrée à la Fig. 1(b), est d'environ 22,3 % avec une sortie maximale de 2,8 W à une pompe de 12,5 W, ce qui est comparable à celle de la réf. 32.

Dans la configuration en queue de cochon, l'amplificateur présente les mêmes caractéristiques de sortie à une fréquence de répétition de 60 kHz.

En ajustant le taux de répétition de la graine laser de 2 μm à 20 kHz, un supercontinuum est généré dans l'amplificateur à fibre dopée Tm dans les deux configurations laser, même sans pompe à 793 nm, comme illustré à la Fig. 2. La figure 2 (a) présente le supercontinuum généré à partir de l'amplificateur à fibre dopée Tm avec la configuration de sortie directe où il n'y a pas de fibre passive à l'extrémité de sortie de la fibre dopée Tm à double gaine, tandis que la Fig. 2(b) donne le supercontinuum généré à partir de la fibre dopée Tm amplificateur avec la configuration en queue de cochon passive où une section de fibre passive SMF28 de 1 m de long est épissée à l'extrémité de sortie de la fibre dopée Tm à double gaine.

Génération de supercontinuum à partir de l'amplificateur à fibre dopée Tm à un taux de répétition de 20 kHz sans puissance de pompe à 793 nm : (a) configuration à sortie directe sans fibre passive à l'extrémité de sortie de la fibre dopée Tm ; (b) configuration en queue de cochon avec une fibre passive de 1 m de long à l'extrémité de sortie de la fibre dopée au Tm.

Plus de supercontinua sont enregistrés sur la figure 3 à différentes puissances de pompe à 793 nm. La figure 3 (a) fournit les spectres laser mesurés dans la configuration de sortie directe à différentes puissances de pompe de 793 nm. Et les spectres laser mesurés à partir de la configuration en queue de cochon passive sont représentés sur la figure 3 (b).

Génération de supercontinuum à partir de l'amplificateur à fibre dopée au Tm à un taux de répétition de 20 kHz avec différentes puissances de pompe à 793 nm : (a) configuration à sortie directe ; (b) configuration en queue de cochon.

Les supercontinua générés à la puissance de pompe maximale sont illustrés à la Fig. 4. Et les puissances de sortie de l'amplificateur à fibre dopée Tm sont présentées à la Fig. 5.

Supercontinuum maximal généré à partir de l'amplificateur à fibre dopée au Tm à un taux de répétition de 20 kHz avec une pompe de 12,5 W à 793 nm : (a) configuration à sortie directe ; (b) configuration en queue de cochon.

Puissance de sortie de l'amplificateur à fibre dopée Tm à un taux de répétition de 20 kHz : (a) configuration à sortie directe ; (b) configuration en queue de cochon.

Le spectre de sortie de la Fig.1 (a) démontre que le signal laser de 2 μm n'est pas efficacement amplifié car l'ASE est généré pendant le processus d'amplification.

Comme on peut le voir sur la figure 2 (a), le supercontinuum généré sans queue de cochon passive caractérise une région de supercontinuum à large bande et à grande longueur d'onde avec une bande passante de 3 dB d'environ 430 nm couvrant une large gamme de longueurs d'onde de 1,92 μm à 2,35 μm et une forte signal laser non absorbé de 2 μm qui est supérieur d'environ 6 dB au supercontinuum à grande longueur d'onde. Ce phénomène est également observé dans les références 17, 18, 19, 20, 21. Différent de celui de la figure 2 (a), avec la fibre passive, le signal laser de 2 μm de la figure 2 (b) devient beaucoup plus petit. Cependant, le spectre devient plus étroit avec une bande passante de 3 dB d'environ 200 nm centrée autour de 2,1 μm. Ce large pic spectral autour de 2, 1 μm est également observé sur la figure 2 (a). Nous pensons que cela devrait être attribué à la transition 3H4-3H5 dans les ions Tm8,22,23,24.

De plus, les deux spectres de la Fig. 2 s'élargissent principalement vers le côté des grandes longueurs d'onde, ce qui est assez différent de ceux de la génération de supercontinuum pompé à 1,6 μm où le supercontinua généré s'élargit des deux côtés spectraux. La principale raison de la génération du supercontinuum décalé vers le rouge est l'instabilité de modulation qui conduit à la fission des solitons et au décalage d'auto-fréquence des solitons induit par la diffusion Raman9,18,19,24.

Semblable à celui de la figure 2 (a), le signal laser relativement fort de 2 μm reste à différentes puissances de pompe de 793 nm sur la figure 3 (a). De plus, le signal ASE est observé autour de 2 μm. À une pompe de 4 W, la bande passante de 3 dB du supercontinuum généré s'élargit à environ 600 nm, tandis que la bande passante de 10 dB atteint 740 nm avec la longue longueur d'onde s'étendant au-delà de 2,6 μm. On peut trouver sur la Fig. 3 (b) que, à une pompe de 4 W à 793 nm, le supercontinuum plat présente une bande passante de 3 dB de 490 nm, plus que doublée par rapport à celle sans pompe à 793 nm sur la Fig. 2 (b) . En outre, le signal laser de 2 μm est presque éliminé par la propagation dans la fibre passive, contribuant à la planéité du supercontinua généré qui montre une différence d'intensité de seulement 1,1 dB de 1,99 μm à 2,40 μm comme illustré dans l'encadré de la Fig. 3 (b). Et, il est évident que la différence d'intensité est principalement causée par le fort signal ASE autour de 2 μm.

Comme indiqué sur la figure 4 (a), à une pompe de 12,5 W à 793 nm, par rapport au spectre à une puissance de pompe de 4 W à 793 nm, la bande passante du spectre dans la configuration de sortie directe n'est pas élargie davantage, tandis que le signal ASE obtient plus fort qui est d'environ 3 dB supérieur au supercontinuum à grande longueur d'onde. Au contraire, dans la configuration en queue de cochon passive, le supercontinuum s'élargit avec l'augmentation de la puissance de la pompe, comme le montre la figure 4 (b). Les bandes passantes 3 dB et 10 dB du supercontinua en configuration pigtail passive atteignent respectivement 540 nm et 610 nm. Et, la différence d'intensité de la région centrale du supercontinuum entre 1,98 μm et 2,41 μm n'est que de 0,87 dB, ce qui est principalement causé par le signal ASE fort comme illustré dans l'encart de la Fig. 4 (b), démontrant une excellente planéité de ce laser système.

Comme indiqué sur la figure 5 (a), lorsqu'il n'y a pas de fibre en queue de cochon, la puissance de sortie maximale est d'environ 2,7 W avec une efficacité de pente d'environ 21,1%, ce qui est très proche de celle à 60 kHz sur la figure 1 (b), démontrant que la puissance de sortie est principalement la puissance du signal laser de 2 μm. Autrement, dans la configuration en queue de cochon passive, la puissance de sortie de l'amplificateur à fibre dopée Tm est principalement la puissance du supercontinuum puisque le signal laser de 2 μm est presque éliminé par la propagation dans la fibre passive, comme le montrent les figures 3 (b) et 4(b). Cependant, la puissance de sortie du supercontinuum est beaucoup plus petite avec une sortie maximale de seulement 400 mW, comme le montre la figure 5 (b).

Des supercontinua super-plats sont générés à partir d'un amplificateur à fibre dopée Tm bien que l'amplification de la graine ne soit pas idéale avec la présence d'un signal ASE fort. Des comparaisons entre différentes puissances de pompe et configurations laser sont discutées et analysées. Par rapport à la configuration en queue de cochon passive, la configuration à sortie directe bénéficie d'un spectre laser plus large, tandis que la configuration en queue de cochon passive bénéficie d'un supercontinuum beaucoup plus plat. Ce système laser serait applicable dans des applications de spectroscopie d'absorption à large bande. Cependant, la puissance du supercontinuum généré est encore relativement faible. Et, une amélioration supplémentaire de la puissance de sortie et de l'extension spectrale doit être envisagée.

La configuration expérimentale de l'amplificateur à fibre dopée Tm est illustrée à la Fig. 6. La source laser pulsée de 2 μm adopte un schéma similaire à celui décrit dans la réf. 25. La source laser de 2 μm et la source de pompe d'un LD de 793 nm sont couplées dans une section de fibre dopée Tm à double gaine de 7 m de long (Nufern, 10P/130) via un combineur de pompe (PC).

Schéma de principe de l'amplificateur à fibre dopée Tm.

Les spectres laser sont enregistrés avec un analyseur de spectre Andor Shamrock 750. Il convient de noter que la résolution de l'analyseur de spectre est d'environ 2 nm déterminée par le réseau et la longueur de pas. De plus, un détecteur HgCdTe rapide refroidi thermoélectriquement et un oscilloscope 4 GHz (Tektronix TDS 7404) sont exploités pour surveiller les impulsions laser.

Comment citer cet article : Tao, M. et al. Génération de supercontinuum super-plat à partir d'un amplificateur à fibre dopée Tm. Sci. Rep. 6, 23759; doi : 10.1038/srep23759 (2016).

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Ce travail est partiellement soutenu par le State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter (SKLLIM) sous les subventions n° SKLLIM1409 et SKLLIM1503 et le programme Hundred Talents de l'Académie chinoise des sciences. Les auteurs sont également reconnaissants à Yongsheng Zhang du SKLLIM pour ses instructions sur la préparation des manuscrits.

State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, Institut de technologie nucléaire du Nord-Ouest, 710024, Xi'an, République populaire de Chine

Mengmeng Tao, Zhenbao Wang, Hongwei Chen, Yanlong Shen et Guobin Feng

Centre de recherche sur la technologie de l'information laser spatiale, Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai, Académie chinoise des sciences, 201800, Shanghai, République populaire de Chine

Ting Yu et Xisheng Ye

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GF et XY ont conçu le projet ; les expériences ont été conçues par MT, TY et ZW ; la source laser pulsée 2 µm a été construite par MT ; HC et YS ont mesuré les spectres de la sortie laser. Tous les auteurs ont contribué à l'interprétation des résultats et à la préparation du manuscrit.

Correspondance à Mengmeng Tao ou Xisheng Ye.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Réimpressions et autorisations

Tao, M., Yu, T., Wang, Z. et al. Génération de supercontinuum super-plat à partir d'un amplificateur à fibre dopée Tm. Sci Rep 6, 23759 (2016). https://doi.org/10.1038/srep23759

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Reçu : 03 décembre 2015

Accepté : 14 mars 2016

Publié: 29 mars 2016

DOI : https://doi.org/10.1038/srep23759

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