Améliorer la stabilité de l'erbium | Marquage laser Hebei Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20267 (2022) Citer cet article

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Dans cet article, nous présentons les performances et la stabilité d'un laser à fibre dopée à l'erbium (EDFL) basé sur un absorbeur saturable ZnO (SA) préparé à l'aide de deux schémas : la méthode de solution (SM) et la technique de dépôt par laser pulsé (PLDT). Il a été observé que l'EDFL avec ZnO-SA préparé à l'aide de SM émet à 1561,25 nm sous une puissance de pompe de 230 mW. Lorsque la puissance de la pompe est augmentée de 22,2 mW à 75,3 mW, la durée d'impulsion diminue de 24,91 à 10,69 µs et les taux de répétition des impulsions augmentent de 11,59 à 40,91 kHz. En plus d'une puissance de pompe de 75,3 mW, la puissance de crête, l'énergie d'impulsion et la puissance de sortie moyenne sont respectivement mesurées à 0,327 mW, 2,86 nJ et 0,18 mW. Cependant, lorsque la SA à base de PLDT a été incorporée dans la cavité annulaire, la longueur d'onde d'émission est remarquée à 1568,21 nm à une puissance de pompe de 230 mW. Avec l'augmentation de la puissance de la pompe de 22,2 mW à 418 mW, les taux de répétition des impulsions augmentent de 10,79 à 79,37 kHz et la largeur d'impulsion diminue de 23,58 à 5,6 µs. De plus, la puissance de crête, l'énergie des impulsions et la puissance de sortie moyenne sont respectivement de 10,9 mW, 74 nJ et 5,35 mW. La stabilité d'EDFL basée sur des SA préparés à l'aide de SM et PLDT a également été étudiée. À la connaissance de l'auteur, il s'agit de la première comparaison des performances et de la stabilité à long terme d'EDFL basée sur deux techniques expérimentales SM et PLDT-based SA. Ces résultats suggèrent que les SA à base de PLDT offrent une stabilité optimale sur une longue période et améliorent les performances des lasers à fibre par rapport aux SA préparées à l'aide de la technique SM conventionnelle. Cette étude ouvre la voie au développement de SA ultra-stables pour leurs applications potentielles dans les sources laser pulsées et les dispositifs photoniques.

Les lasers à fibre pulsée ont attiré beaucoup d'attention ces dernières années en raison de leurs applications potentielles dans la spectroscopie, le traitement des matériaux, le micro-usinage, le médical et les télécommunications1,2,3. Pour la formation d'impulsions dans les lasers, un absorbeur saturable (SA) est inséré dans la cavité qui module les pertes optiques qui ont des applications majeures dans la commutation Q et le verrouillage de mode des lasers. Par conséquent, SA est un composant clé pour obtenir un fonctionnement à impulsions ultra-courtes à partir de lasers à fibre. Une variété de SA, tels que les nanotubes de carbone4,5, le graphène6, les SA à base de films d'oxyde7,8, les miroirs absorbants saturables à semi-conducteurs (SESAM)9,10 et les isolants topologiques11,12 ont été implémentés dans des lasers à fibre et des cavités pour la génération d'impulsions passives en mode verrouillé. Parmi les films d'oxyde, le matériau ZnO est considéré comme un matériau viable en raison de ses caractéristiques électriques et optiques. Le ZnO a une bande interdite directe de 3,37 eV13, une stabilité thermique, chimique et mécanique optimale, une faible tension de seuil et un temps de récupération ultrarapide14,15,16,17. En raison de ces caractéristiques intéressantes, le ZnO a des applications potentielles dans les dispositifs optoélectroniques à courte longueur d'onde, les diodes laser ultraviolettes (UV) et les diodes électroluminescentes18. Plus récemment, les SA à base de ZnO dans les lasers à fibre dopée erbium/ytterbium ont attiré beaucoup d'attention de la part des chercheurs. Les caractéristiques fondamentales d'un SA idéal sont sa stabilité à long terme, son seuil de dommage élevé, son temps de récupération rapide, sa faible intensité de saturation, sa profondeur de modulation optimale et sa facilité de fabrication et de mise en œuvre dans la cavité laser. L'alignement optique compliqué, la stabilité, les processus de fabrication complexes et la sensibilité environnementale limitent les applications pratiques des SA pour la commutation Q et le verrouillage de mode. De nombreuses techniques expérimentales telles que le dépôt de nanoparticules sur une virole de fibre19,20, la méthode de solution (SM)21,22,23 et la technique de dépôt par laser pulsé (PLDT)24,25 ont été proposées et démontrées pour fabriquer des SA dans des cavités laser pour la commutation Q et le verrouillage de mode des impulsions optiques. Cependant, les SA préparés à l'aide de techniques conventionnelles telles que la SM et les techniques à base de nanoparticules sont très instables et difficiles à aligner à l'intérieur de la cavité laser car ils sont sensibles à l'environnement et ont un faible seuil de dommage. Dans la littérature, la stabilité à court terme de l'EDFL a été rapportée et la puissance de sortie des spectres optiques a été mesurée pendant 30 à 60 min26,27,28,29. La stabilité temporelle à court terme limite les applications pratiques des lasers à fibre pulsée où un fonctionnement pulsé constant et stable est requis sur une longue période. Pour relever ce défi, nous avons d'abord mesuré la stabilité de notre EDFL proposé en termes de tension crête à crête (VP – P) du fonctionnement des impulsions de sortie pendant 5 h en continu. Outre une comparaison des différentes techniques expérimentales proposées, il est fortement souhaité d'identifier la meilleure approche pour la fabrication de SA hautement stables pour les lasers à fibre, faciles à aligner et offrant un seuil de dommage élevé à l'intérieur des cavités laser.

Dans cet article, nous avons comparé les performances et la stabilité de l'EDFL Q-switch basé sur ZnO-SA préparé à l'aide de SM et PLDT. La technique qui donne les meilleures performances, une stabilité optimale et un seuil de dommage élevé a été identifiée. Cette étude suggère que l'EDFL basé sur SA fabriqué à l'aide de PLDT donne la durée d'impulsion la plus courte, des taux de répétition plus élevés et une puissance de sortie moyenne élevée par rapport à SA préparé à l'aide de la technique SM. En outre, il est déduit que les SA basées sur PLDT fournissent un seuil de dommage élevé et un fonctionnement d'impulsion de sortie ultra-stable sur une longue période par rapport à celui préparé à l'aide de la technique SM. Contrairement aux rapports précédents concernant la stabilité de l'EDFL, la stabilité (VP – P) du fonctionnement pulsé a été discutée.

Dans le présent travail, le film mince de ZnO est directement déposé sur une férule de fibre à l'aide d'un système PLD. L'interaction entre le laser et la cible régit le processus de dépôt. Un faisceau laser à haute énergie est focalisé sur un matériau cible à l'intérieur de la chambre PLD. Lorsque le faisceau laser atteint la cible, un panache de plasma visible se forme qui se dilate dans l'environnement selon le principe de la thermodynamique et se dépose sur un substrat dans une ou plusieurs orientations cristallographiques. L'ablation au laser est la partie la plus attrayante de cette technique car elle maintient la stoechiométrie du matériau cible. En maintenant la cible et le substrat relativement au repos, un film non uniforme se forme lorsqu'il s'étend perpendiculairement au substrat. Cependant, pour obtenir un film mince uniforme, la cible et le substrat sont tournés dans des directions opposées l'un par rapport à l'autre. La technique PLD est principalement reconnue pour la fabrication d'hétéro-structures, mais elle peut désormais être utilisée pour contrôler et développer des couches minces de taille nanométrique.

Ici, la quatrième harmonique d'un laser Nd:YAG émettant à 266 nm a été utilisée pour l'ablation de la cible ZnO. Un faisceau laser de 10 mJ a été focalisé sur la cible à l'intérieur de la chambre PLD et la cible (ZnO) a été tournée en continu pour éviter la création d'un cratère. La férule en fibre a été installée devant la cible à une distance de 3 cm. Le dépôt a été effectué à la vitesse de 0,05 nm/s et l'épaisseur du film a été contrôlée à l'aide d'une microbalance à cristal de quartz (QCM) qui a déjà été validée et calibrée à l'aide du SEM30 en coupe. La température du substrat (ferrule de fibre) a été maintenue à 25 °C avec un vide de fond de 2 × 10–6 mbar. En utilisant la technique PLD, un film mince de 400 nm d'épaisseur de ZnO a été déposé directement sur la virole de la fibre. Sur les figures 1a, b, une férule de fibre est représentée sans aucun SA déposé sur une férule de fibre et avec un film mince de ZnO déposé à l'aide de PLDT, respectivement. Ces images ont été enregistrées à l'aide du microscope numérique (Inskam).

Virole de fibre (a) sans SA et (b) avec dépôt de couche mince de ZnO à l'aide de PLDT.

Le processus de fabrication du film mince de ZnO est illustré à la Fig. 2. Pour intégrer le SA à base de film mince de ZnO à l'intérieur de la cavité laser, les nanostructures de ZnO ont été intégrées dans le film mince à base de polymère. Les nanoparticules de ZnO ont été achetées chez Sigma-Aldrich (USA) et la taille des particules de ZnO a été estimée dans la plage ≤ 50 nm. Tout d'abord, l'alcool polyvinylique (PVA) en tant que polymère hôte a été préparé en ajoutant 1 g de poudre de PVA dans 100 ml d'eau distillée. Pour dissoudre complètement le PVA dans l'eau distillée, le mélange a été agité magnétiquement à la température de 25°C. Après cela, 10 mg de nanoparticules de ZnO ont été ajoutés à 20 ml de la suspension de PVA dissous. Enfin, la solution de ZnO-PVA a été versée dans une boîte de Pétri et a été laissée sécher pendant 1 jour à température ambiante pour le développement du film mince à utiliser comme SA passive. Ensuite, une petite zone du film a été découpée puis attachée à la surface de la virole en fibre. La férule de fibre sans SA et avec film mince SA est illustrée sur les figures 3a, b, respectivement.

Le processus de fabrication de couches minces de ZnO-PVA en utilisant la technique SM.

(a) Virole de fibre sans film mince déposé et (b) avec dépôt de film mince ZnO en utilisant la technique SM.

Le spectre de photoluminescence (PL) à température ambiante du film mince de ZnO déposé est illustré à la figure 4a. Un faisceau du laser à azote (NL100) émettant à une longueur d'onde de 337 nm, avec une énergie d'impulsion de 170 µJ et une durée d'impulsion de 3,5 ns, a été utilisé comme source d'excitation pour la photoluminescence. Le pic apparaissant vers 390 nm est corrélé à la recombinaison d'excitons libres ou collisions exciton-exciton appelée émission UV NBE (near band edge).

(a) PL et (b) spectres Raman d'un film mince de ZnO.

La spectroscopie Raman du film mince de ZnO déposé a été réalisée à l'aide de l'Ava Raman avec un laser de 532 nm avec une puissance maximale de 50 mW. La figure 4b montre le spectre Raman du film mince de ZnO déposé sur la pointe de la férule de fibre. Les pics spectroscopiques avec décalage de longueur d'onde et leurs modes de phonons correspondants ont été attribués comme indiqué dans la littérature31,32 et sont répertoriés dans l'encadré de la figure 4b.

Les spectres EDX du film mince de ZnO sont présentés à la Fig. 5. Les principaux éléments et la composition en pourcentage présents dans le film mince de ZnO sont répertoriés à la Fig. 5b. La morphologie de surface du film mince de ZnO a été étudiée à l'aide d'une microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM). La micrographie confirme que le film mince déposé est très lisse en général et continu comme le montre la figure 5c. Les résultats mesurés démontrent que le film mince de ZnO a une bonne pureté, y compris le zinc - 84,84 % en poids et l'oxygène - 15,16 % en poids.

(a) Spectre de rayons X à dispersion d'énergie de la couche mince de ZnO (b) Composition en pourcentage des éléments présents dans la couche mince de ZnO (c) la microphotographie de la surface de la couche mince de ZnO.

La figure 6 montre le diagramme schématique de la configuration EDFL à commutation Q utilisée dans la présente étude. Une diode laser monomode émettant à 976 nm a été utilisée comme source de pompage. La sortie du laser pompé a été couplée à un multiplexeur à répartition en longueur d'onde (WDM) fusionné à 980/1550 nm et le port commun a été couplé à EDF. Un isolateur indépendant de la polarisation (PI-ISO) a été utilisé pour assurer la propagation unidirectionnelle de la lumière dans la cavité annulaire. Après l'isolateur, ZnO-SA a été incorporé dans la cavité laser. Par la suite, un coupleur de sortie 90:10 a été utilisé pour diviser la lumière en deux parties ; 90 % se propagent dans la cavité annulaire et 10 % sont utilisés pour l'analyse. La puissance de sortie a été mesurée à l'aide d'un wattmètre optique (Thorlabs). Les spectres RF ont été enregistrés à l'aide d'un analyseur de spectre RF (GW INSTEK, GSP-9330) via une photodiode InGaAs 5 GHz (Thorlabs : DET08CFC/M). Les spectres optiques ont été enregistrés via un analyseur de spectre optique (YOKOGAWA, AQ6370D) avec une résolution minimale de 0,02 nm qui couvre la plage de longueurs d'onde de 600 à 1700 nm. Un oscilloscope numérique (GW INSTEK, GDS-3504) a également été utilisé via une photodiode InGaAs 5 GHz (Thorlabs : DET08CFC/M) pour analyser les propriétés du train d'impulsions.

Arrangements expérimentaux d'un laser à fibre dopée à l'erbium à commutation Q basé sur ZnO-SA ; Multiplexeur en longueur d'onde WDM, fibre dopée à l'erbium EDF, isolateur optique ISO, photodiode PD, compteur de puissance PM, absorbeur saturable à l'oxyde de zinc ZnO-SA, oscilloscope Osc, analyseur de spectre optique OSA, analyseur de spectre électrique ESA.

Un fonctionnement CW d'un EDFL Q-switch est observé à un seuil bas de pompe de 11,2 mW. Cependant, lorsque le ZnO-SA à base de SM et de PLDT est incorporé dans la cavité laser, le fonctionnement passif de l'impulsion à commutation Q est observé à 22,2 mW. La figure 7 montre le spectre optique typique d'un EDFL à commutation Q en mode continu (ligne rouge continue), avec ZnO-SA, préparé à l'aide de SM (ligne bleue continue) et PLDT (ligne noire continue) à une puissance de pompe de 230 mW. La largeur de bande de 3 dB des spectres de longueur d'onde laser sans SA est de 0,4 nm avec une longueur d'onde centrale de 1572,37 nm. Cependant, pour le SA préparé à l'aide de SM, la bande passante de 3 dB est de 1,7 nm à la longueur d'onde centrale de 1561,25 nm et de 1,1 nm pour le SA fabriqué à l'aide de PLDT à la longueur d'onde centrale de 1568,21 nm. Cet élargissement du spectre optique de 0,4 nm à 1,1 et 1,7 nm indique le changement de comportement du laser pour un fonctionnement par impulsions à partir du mode CW car il nécessitait plus de composants spectraux de Fourier33,34. En outre, un décalage bleu de 11,12 nm et 4,16 nm dans la longueur d'onde centrale est observé lorsque le SA préparé à l'aide de SM et PLDT est inséré dans la cavité laser, respectivement. En raison de l'insertion de SA à l'intérieur de la cavité laser, des pertes optiques élevées se produisent et pour surmonter ces pertes, plus de gain est acquis, modifiant ainsi la longueur d'onde vers la région de longueur d'onde plus courte.

Spectre optique mesuré d'EDFL sans SA (ligne rouge continue) et pour SA préparé à l'aide de SM (ligne bleue continue) et PLDT (ligne noire continue).

Le taux de répétition des impulsions et la durée des impulsions en fonction de la puissance de la pompe allant de 22, 2 à 418 mW sont présentés à la Fig. 8a, b, respectivement pour le SA préparé à l'aide de PLDT (cercles bleus pleins). De même, sous une puissance de pompe de 22, 2 à 75, 3 mW, le taux de répétition des impulsions et les données de largeur d'impulsion sont illustrés à la Fig. 8a, b pour SA préparé à l'aide de la technique SM.

Taux de répétition d'impulsions mesurés (a) pour SA préparé à l'aide de SM (cercles rouges creux) et PLDT (cercles bleus pleins) et (b) largeur d'impulsion pour SA préparé à l'aide de SM (cercles rouges creux) et PLDT (cercles bleus pleins) en fonction de la puissance de la pompe.

Ces résultats démontrent qu'avec SA préparé à l'aide de SM et PLDT, l'opération de commutation Q commence à une puissance de pompe de 22,2 mW. Pour SA fabriqué à l'aide de PLDT, lorsque la puissance de la pompe est augmentée de 22,2 à 418 mW, les taux de répétition des impulsions augmentent de 10,79 à 79,37 kHz, tandis que la durée d'impulsion diminue de 23,58 à 5,6 µs. D'autre part, avec SA préparé en utilisant la technique SM, une augmentation de la puissance de pompe de 22,2 à 75,3 mW entraîne une augmentation des taux de répétition des impulsions de 11,59 à 40,91 kHz, tandis que la durée d'impulsion diminue de 24,91 à 10,69 µs. Avec une nouvelle augmentation de la puissance de la pompe jusqu'à 75,3 mW et 418 mW pour SA préparé à l'aide de SM et PLDT, respectivement, le fonctionnement à commutation Q disparaît et un fonctionnement en onde continue apparaît.

À une puissance de pompe de 283 mW, le spectre RF est illustré à la Fig. 9a pour SA préparé à l'aide de PLDT. Le spectre RF a été mesuré en utilisant une bande passante de résolution de 1 kHz et une bande passante vidéo de 10 Hz. À partir des spectres RF mesurés pour SA préparés à l'aide de PLDT, 30 harmoniques de fréquence sont observés sous une plage de fréquences de 2 MHz et le pic de la fréquence fondamentale est observé à 65,45 kHz. De plus, le rapport signal sur bruit (SNR) des spectres RF mesurés pour SA préparés à l'aide de PLDT est de 48 dB (voir l'encadré de la Fig. 9a). D'autre part, à une puissance de pompe fixe de 75,3 mW, le spectre RF est illustré à la Fig. 9b pour SA préparé à l'aide de la technique SM. Pour SA préparé à l'aide de la technique SM, 10 harmoniques de fréquence sont observés sous une largeur de bande de résolution de 1 kHz, une largeur de bande vidéo de 10 Hz et une plage de fréquence de 200 kHz. Avec SA préparée en utilisant la technique SM, la fréquence fondamentale observée est de 19,34 kHz avec un SNR de 34 dB. Le SNR plus élevé pour SA préparé à l'aide de la technique PLDT confirme en outre une meilleure stabilité et une meilleure performance de l'EDFL à base de ZnO-SA préparé à l'aide de la technique SM.

Spectres RF mesurés pour SA préparés à l'aide (a) d'un PLDT sous une plage de fréquences de 2 MHz, d'une bande passante de résolution de 1 kHz et d'une bande passante vidéo de 10 Hz et (b) d'une technique SM sous une plage de fréquences de 200 kHz, d'une bande passante de résolution de 1 kHz et d'une bande passante vidéo de 10 Hz ; l'encart montre le SNR sous une puissance de pompe de 45,7 mW.

Un train d'impulsions optiques mesuré à une puissance de pompe de 283 mW est illustré à la Fig. 10a pour SA préparé à l'aide du PLDT et la durée d'impulsion minimale est de 8,52 µs. L'intervalle d'impulsion sous une puissance de pompe de 283 mW est observé comme étant de 15,2 µs, ce qui correspond bien aux taux de répétition de 65,78 kHz. Sur la figure 10b, le train d'impulsions optiques mesuré est représenté pour SA fabriqué à l'aide de la technique SM à une puissance de pompe de 45,7 mW et la durée d'impulsion minimale est de 14,99 µs. Alors qu'à une puissance de pompe de 45,7 mW, l'intervalle d'impulsions est de 51,22 µs, ce qui correspond bien aux taux de répétition de 19,31 kHz.

Train d'impulsions mesuré d'EDFL basé sur SA préparé en utilisant (a) PLDT à une puissance de pompe de 283 mW (b) technique SM à une puissance de pompe de 45,7 mW.

Il est pertinent de mentionner ici que pour la SA préparée à l'aide de la technique SM, lorsque la puissance de la pompe approche de 75,3 mW, l'opération de commutation Q d'EDFL disparaît et une opération CW s'installe. Cependant, la SA fabriquée avec PLDT tolère jusqu'à 418 mW de puissance maximale, et une opération d'impulsion Q-switch stable est toujours conservée. Par contre, pour une puissance de pompe supérieure à 418 mW, la commutation Q disparaît et un fonctionnement CW commence. Ce comportement indique l'efficacité du PLDT par rapport à la technique SM pour la fabrication de SA robustes, stables et fiables pour les lasers à fibre.

La puissance de sortie moyenne d'EDFL avec les deux SA est illustrée à la Fig. 11. Pour la technique SM, la puissance de sortie moyenne maximale est de 0,18 mW à une puissance de pompe de 75,3 mW. Avec SA préparée à l'aide de PLDT, une puissance de sortie moyenne de 5,35 mW a été observée à une puissance de pompe de 418 mW.

Puissance de sortie moyenne mesurée par rapport à la puissance de la pompe pour les SA préparées à l'aide de SM (cercles rouges creux) et PLDT (cercles bleus pleins).

Pour la SA basée sur la technique SM, l'énergie d'impulsion et la puissance de crête sont respectivement de 2,86 nJ et 0,327 mW. L'énergie d'impulsion de 74 nJ et de puissance de crête de 10,9 mW est observée à une puissance de pompe de 418 mW avec SA préparée à l'aide de PLDT. Les résultats présentés dans les Fig. 11 et 12, révèlent que l'EDFL basé sur des SA préparées à l'aide de PLDT donne une puissance de sortie plus élevée et offre une meilleure tolérance à la saturation que les SA préparées à l'aide de la technique SM.

Énergie d'impulsion mesurée (a) et (b) puissance de crête en fonction de la puissance de la pompe pour SA préparée à l'aide de SM (cercles rouges creux) et PLDT (cercles bleus pleins).

Pour étudier la stabilité de l'EFDL avec des SA préparés à l'aide de SM et de PLDT, les SA sont exposés en continu à une puissance de pompe fixe de 45,7 mW pendant 3 à 5 h. La puissance de sortie moyenne, la durée des impulsions, le taux de répétition des impulsions et les données VP – P des impulsions optiques générées par EDFL ont été enregistrées en continu et présentées sur les Fig. 13, 14 et 15.

Puissance de sortie moyenne mesurée en fonction du temps pour SA préparé à l'aide de SM et PLDT.

VP – P mesuré en fonction du temps pour SA préparé à l'aide de SM (cercles rouges creux) et PLDT (cercles bleus pleins).

Mesuré (a) les taux de répétition des impulsions et (b) la durée des impulsions en fonction du temps pour SA préparé à l'aide de SM et PLDT.

La stabilité d'EDFL basée sur des SA préparés à l'aide de SM et PLDT a été étudiée et la tension crête à crête des impulsions optiques a été enregistrée à l'aide d'un oscilloscope. Tout d'abord, nous avons mesuré la puissance de sortie des deux SA à l'aide d'un wattmètre connecté à un ordinateur pendant 3 h en continu, mais aucune différence significative n'a été remarquée, car les deux ensembles de données montrent un comportement similaire en fonction du temps. La puissance de sortie moyenne à une puissance de pompe fixe de 45,7 mW en fonction du temps est illustrée à la Fig. 13 pour les SA préparés à l'aide de SM et PLDT. Dans la littérature, la stabilité des lasers à fibre est étudiée en mesurant la puissance de sortie du spectre optique26,27,28,29,35.

Il nous semble (voir Fig. 13) que l'instabilité observée dans les trains pulsés n'était pas visible dans la puissance de sortie. Pour résoudre le problème de l'instabilité des impulsions, nous avons enregistré VP – P pour les SA préparés à l'aide de SM et PLDT à l'aide de l'oscilloscope, et les résultats sont présentés sur les Fig. 14 et 15. La figure 14 montre qu'au départ, le VP – P est de 890 nV pour SA préparée à l'aide de la technique SM et de 1,01 mV pour SA préparée à l'aide de PLDT. Ensuite, une légère augmentation du VP – P est constatée pour le SA préparé à l'aide de l'approche SM et après 17 minutes, il atteint sa valeur maximale de 1, 07 mV mais aucune différence significative n'est notée pour le SA fabriqué à l'aide de PLDT. En atteignant la valeur optimale de 1,07 mV, le VP – P diminue jusqu'à 776 nV pendant les 74 minutes suivantes, mais pour SA basée sur PLDT, la tension de sortie reste stable. De plus, pendant les 120 minutes suivantes, une diminution rapide du VP – P a été remarquée pour le SA préparé à l'aide de la technique SM et aucune instabilité de ce type n'a été mesurée pour le SA basé sur PLDT. Ces résultats montrent en outre que pour la SA préparée à l'aide de la technique SM, la VP – P diminue continuellement et se rapproche finalement de zéro après 330 minutes. À ce stade, les impulsions ont complètement disparu pour le SA basé sur SM alors que le VP – P reste stable pour le SA basé sur PLDT.

La comparaison de la largeur de raie RF et de la largeur d'impulsion mesurées pour les SA préparés à l'aide de SM et PLDT est illustrée sur les Fig. 15a, b, respectivement. Initialement, les taux de répétition diminuent, puis une tendance à la hausse est observée et pendant 5 h, les taux de répétition varient de 18 à 26 kHz pour les SA fabriquées selon la technique SM. Cependant, aucun changement significatif dans les taux de répétition n'a été remarqué pour SA préparé à l'aide de PLDT. Les taux de répétition minimum et maximum pour cette SA ont été mesurés à 21,17 et 21,57 kHz, respectivement (voir Fig. 15a). En outre, les données de largeur d'impulsion d'EDFL basées sur SA préparées en utilisant SM et PLDT sont en outre comparées et représentées sur la figure 15b. Ces données montrent que pour le SA préparé en utilisant l'approche SM, la largeur d'impulsion varie de 18 à 20 µs. Cependant, pour le SA préparé à l'aide de PLDT, les largeurs d'impulsion minimale et maximale ont été respectivement de 17,2 à 17,9 µs. Ces données suggèrent en outre que PLDT fournit des impulsions optiques beaucoup mieux stables par rapport à la technique SM conventionnelle.

Les résultats présentés dans les Fig. 14 et 15 confirment la stabilité des SA préparés en utilisant PLDT. La meilleure stabilité des SA préparés à l'aide de PLDT peut être attribuée au processus de fabrication des SA. Lors du dépôt du film mince par PLD, les atomes/ions se déposent sur la férule de la fibre avec une bien meilleure adhérence et sans aucune impureté supplémentaire par exemple ; PVA, etc. En PLDT, une meilleure adhérence sans aucun produit chimique supplémentaire et une croissance directe de ZnO sur la virole de la fibre dans un environnement contrôlé se traduit par une meilleure stabilité des SA.

En résumé, nous avons démontré un EDFL à commutation Q passive basé sur ZnO-SA préparé à l'aide de techniques SM et PLDT. La durée d'impulsion, les taux de répétition, la puissance de sortie moyenne, l'énergie de crête, l'énergie d'impulsion et la stabilité des SA préparées à l'aide des deux approches ont été mesurées. Ces résultats suggèrent que pour le SA préparé à l'aide de la technique SM, lorsque la puissance de la pompe est passée de 22 mW à 75,3 mW, les taux de répétition des impulsions augmentent de 11,59 à 40,91 kHz et la durée des impulsions diminue de 24,91 à 10,69 µs. En plus d'une puissance de pompe de 75,3 mW, la puissance de crête, l'énergie d'impulsion et la puissance de sortie moyenne sont respectivement de 0,327 mW, 2,86 nJ et 0,18 mW. D'autre part, lorsque la SA basée sur PLDT a été incorporée dans la cavité annulaire, avec une augmentation de la puissance de pompe de 22,2 mW à 418 mW, les taux de répétition des impulsions augmentent de 10,79 à 79,37 kHz et la largeur d'impulsion diminue de 23,58 à 5,6 µs. La puissance de crête, l'énergie d'impulsion et la puissance de sortie moyenne sont respectivement de 10,9 mW, 74 nJ et 4,65,35 mW. De plus, nous avons d'abord mesuré et comparé la stabilité des impulsions d'EDFL sur la base de SA préparés à l'aide de SM et PLDT pendant plus de 5 h en termes de tension crête à crête. Il a été révélé que pour SA préparé à l'aide de PLDT, la tension crête à crête, la durée d'impulsion et le taux de répétition restent stables pendant une longue période. On peut également conclure que l'étude de stabilité d'EDFL ne serait pas fiable sans mesurer la stabilité des tensions crête à crête des trains pulsés. Cette étude suggère en outre que le PLDT est une technique prometteuse pour la fabrication de SA ultra-stables en raison de leurs applications photoniques potentielles.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Nous sommes reconnaissants à la Commission de planification du Pakistan et à l'Académie des sciences du Pakistan (PAS) d'avoir fourni une aide financière pour développer des lasers à fibre au Laboratoire de physique atomique et laser du Centre national de physique d'Islamabad.

Centre national de physique, Campus universitaire Quaid-I-Azam, Islamabad, 45320, Pakistan

Haroon Asghar, Rizwan Ahmed, Rizwan Ajmal, Zeshan A. Umar et M. Aslam Baig

Département de physique et Tyndall National Institute, University College Cork, Western Road, Cork, Irlande

John. G. McInerney

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HA : Conceptualisation, méthodologie, rédaction—ébauche originale, enquête, validation, visualisation, RA : Révision et édition, enquête, caractérisation, RA : Enquête, ZAU : Caractérisation, JGM : Révision et financement, MAB : Supervision.

Correspondance à Haroon Asghar.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Asghar, H., Ahmed, R., Ajmal, R. et al. Amélioration de la stabilité du laser à fibre dopée à l'erbium à l'aide d'un absorbeur saturable fabriqué par la technique de dépôt par laser pulsé. Sci Rep 12, 20267 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23511-3

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Reçu : 10 mai 2022

Accepté : 01 novembre 2022

Publié: 24 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-23511-3

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