Femtoszekundumos impulzuserősítés
Az erősítő optikai erősítőkkel (BOA) és a félvezető optikai erősítőkkel (SOA) összehasonlítva az erbium-adalékolt szálerősítők (EDFA) képesek a femtoszekundumos impulzusokat jelentősen nagyobb csúcsteljesítményszintre erősíteni. Az érintett erősítési mechanizmusok részletei az Erősítők összehasonlítása szakaszban találhatók a lap alján.
Az alábbiakban olyan méréseket mutatunk be, amelyek azt mutatják, hogyan befolyásolja egy 1550 nm-es 430 fs FWHM bemeneti impulzus időbeli profilját az EDFA100P erősítőn való terjedés.
Kísérleti elrendezés
Az 1550 nm-re központosított femtoszekundumos lézerimpulzusokat egy erbiumszálas oszcillátor bocsátotta ki. Ezen impulzusok 3 dB-es spektrális sávszélességét 9 nm-nek mértük, ami 290 fs FWHM transzformációval korlátozott impulzusszélességnek felel meg; a tényleges impulzusszélességet egy intenzitás-autokorrelátor 430 fs FWHM-nek mérte. A száloszcillátor átlagos kimeneti teljesítménye 1,1 mW volt. Mivel a száloszcillátor ismétlési frekvenciája 50 MHz volt, a mért impulzusenergia 22 pJ volt.
Ezeket a 430 fs FWHM, 22 pJ impulzusokat az EDFA100P erősítőbe továbbították. Egyes esetekben a száloszcillátor közvetlenül az erősítőhöz volt csatlakoztatva, míg más esetekben a száloszcillátor egy közbenső diszperzió-kompenzáló szálas patch-kábelen keresztül volt az erősítőhöz csatlakoztatva. A teljes kimenő teljesítményt az EDFA100P szivattyúáramának beállításával változtattuk. Az erősített kimeneti impulzusok időbeli profilját a kimeneti teljesítmény függvényében intenzitás-autokorrelátorral mértük.
Eredmények
Az erősített kimeneti impulzusokat három kimeneti impulzusenergiánál jellemeztük: 0,3 nJ, 0,6 nJ és 1,1 nJ. A méréseket 1,1 nJ kimenő impulzus energiánál leállítottuk, mert az időbeli profilban nemlinearitások jelentek meg. Az egyes grafikonok adatait normalizáltuk, hogy az autokorrelációk alakjai könnyebben összehasonlíthatók legyenek.
Kattintson a nagyításhoz
Amikor az erősítőt 0,3 nJ kimenő impulzusenergiára állítottuk, minimális torzulást figyeltünk meg a kimenő impulzus időbeli profiljában. A diszperzió-kompenzáló szál (DCF) használata a kimeneti impulzust 150 fs-re tömörítette.
| 0.3 nJ teszt | Mért impulzusszélesség (FWHM) | Kiszámított csúcsteljesítmény |
|---|---|---|
| Bemenő impulzus | 430 fs | 45 W |
| Kimenő impulzus (DCF előkompenzáció nélkül) |
570 fs | 0.46 kW |
| Kimeneti impulzus (-0,05 ps/nm DCF előkompenzáció) |
150 fs | 1,76 kW |
Click to Enlarge
Amikor az erősítő kimeneti impulzusenergiáját megdupláztuk 0,6 nJ-ra, a nem előkompenzált kimeneti impulzus még mindig minimális torzítást mutatott. Az előkompenzáció alkalmazásával a kimeneti impulzus 88 fs-re tömörült, de a nemlinearitásokhoz kapcsolódó talapzatok megjelentek az oldalán. Az előkompenzált esetben a kimeneti csúcsteljesítmény 6 kW volt.
| 0.6 nJ teszt | Mért impulzus szélesség (FWHM) |
Kiszámított csúcsteljesítmény |
|---|---|---|
| Bemenő impulzus | 430 fs | 45 W |
| Kimenő impulzus (DCF előkompenzáció nélkül) |
480 fs | 1.1 kW |
| Kimeneti impulzus (-0,05 ps/nm DCF előkompenzáció) |
88 fs | 6 kW |
Click to Enlarge
Amikor a kimenő impulzus energiáját ismét megdupláztuk 1,1 nJ-ra, jelentős torzulások jelentek meg a nem előkompenzált impulzusban. A korábbi -0,05 ps/nm-es DCF előkompenzációnk erős talapzatokat eredményezett az oldalakon. Egy nagyobb, -0,14 ps/nm-es DCF előkompenzáció majdnem megszüntette a nemlinearitásokat, de a kimeneti impulzus 970 fs-re kiszélesedett.
| 1.1 nJ teszt | Mért impulzusszélesség (FWHM) | Kiszámított csúcsteljesítmény |
|---|---|---|
| Bemenő impulzus | 430 fs | 45 W |
| Kimenő impulzus (DCF előkompenzáció nélkül) |
140 fsa | – |
| Kimeneti impulzus (-0.05 ps/nm DCF előkompenzáció) |
80 fsa | – |
| Kimeneti impulzus (-0.14 ps/nm DCF előkompenzáció) |
970 fs | 1 kW |
- Egy sech2 görbe illesztésével a főcsúcs közepére
Következtetés
Ha a kimenő impulzus csúcsteljesítménye ~1 kW vagy annál kisebb, a kimeneti impulzus időbeli profiljának nemlinearitása minimális. (Ez a csúcsteljesítmény-határ 1 és 2 közötti B-integrálnak felel meg, ami alatta van annak a határnak, ahol a nemlineáris optikai hatások jelentőssé válhatnak). Ahogy a csúcsteljesítmény ~1 kW fölé nő, az önfázismoduláció és más nemlineáris optikai hatások miatti spektrális kiszélesedés összenyomja az impulzus szélességét és torzítja az időbeli profilt. Az impulzus kezdeti chirpje, az erősítő diszperziója és az impulzus energiája közötti gondos egyensúly megteremtésével alacsony torzítású, nemlineárisan tömörített impulzusok állíthatók elő.
Ezekre példa a fenti 0,6 nJ-os eset. Egy femtoszekundumos erbium oszcillátorral és egy előkompenzáló szálzal együtt használva az EDFA100P erősítő képes <100 fs-os impulzusok előállítására, amelyek csúcsteljesítménye 6 kW. Előkompenzáló szál nélkül az erősítő még mindig nagy erősítést és minimális időbeli torzítást biztosít azáltal, hogy a kimeneti impulzus csúcsteljesítményét (és a B integrálját) a nemlinearitás küszöbértéke alatt tartja.
erősítők összehasonlítása
Az olyan szálerősítők, mint az EDFA-k és YDFA-k általában jobban alkalmasak a femtoszekundumos lézerimpulzusok erősítésére, mint a félvezető optikai erősítők (pl. BOA-k és SOA-k). Ezek az erősítőtípusok telítési energiáik, erősítési telítési dinamikájuk és szabad vivő élettartamuk tekintetében különböznek egymástól. A félvezető erősítőkben a telítési energiák viszonylag alacsonyak, néhány pikojoule nagyságrendűek. Ez korlátozza a félvezető erősítőkkel elérhető erősített impulzusenergiát. Összehasonlításképpen, a szálerősítőkben a telítési energiák meghaladják a mikrojoule-szintet. Ezenkívül a félvezető erősítőkben az erősítés helyreállítási idejét a vivő élettartama határozza meg, amely 10 ps és 100 ps közötti időskálán mozog. A szálerősítők vivőéletideje jellemzően a 10 µs és 1 ms közötti időskálán mozog.
Lássuk egy 1 MHz-es ismétlési frekvenciájú, módusz-lockolt femtoszekundumos lézer esetét. Jóval a félvezető erősítők telítési energiája alatti impulzusenergiák esetén az impulzusok minimális torzítással erősödnek. Amint azonban az impulzus energiája meghaladja a telítési energiát, az erősítés az impulzus alatt telítődik, ami az impulzus időbeli profilján erősítéskülönbséghez vezet, és torzítja az impulzus alakját. Mivel a szálerősítők telítési energiája nagyobb, mint a félvezető erősítőké, kevésbé hajlamosak az erősítés telítődésére e mechanizmus miatt.
Mivel a félvezető erősítő erősítés helyreállítási ideje (10 ps és 100 ps közötti időskála) rövidebb, mint az ismétlési periódus, az erősítő közeg helyreáll, mielőtt az impulzussorozat következő impulzusa megérkezik a félvezető erősítőhöz. Ezért minden egyes impulzusnál ugyanaz a folyamat ismétlődik. Szálerősítőkben a szabad vivő élettartama (10 µs és 1 ms közötti időskála) sokkal hosszabb, mint az ismétlési periódus. Következésképpen a szálerősítők úgy gondolhatók, mint amelyek az impulzus átlagos teljesítményére reagálnak, szemben a csúcsteljesítménnyel.
Egy további pont, amely különösen fontos a femtoszekundumos impulzusok esetében, a nemlineáris folyamatok szerepe az erősítőben. Míg egy szálerősítő nemlineáris válasza szinte azonnali, addig egy félvezető erősítő nemlineáris válaszideje a 10 ps és 100 ps közötti időskálán mozog, mivel a vivő élettartamával függ össze. Ez a ps időskála az impulzus torzulások másik forrását jelenti, amikor az impulzus energiája meghaladja a telítési energiát.