High pulse to pulse stability high power femtosecond Yb-doped fiber laser.

Khalifeh Soltanian, Seyed Mohammad Javad (2023). High pulse to pulse stability high power femtosecond Yb-doped fiber laser. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 129 p.

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Résumé

Au cours de ma maîtrise à l'INRS, j'ai travaillé sur la génération d'un laser femtoseconde à fibre dopée à l'Ytterbium (Yb) de haute puissance et de grande stabilité d'impulsion à impulsion (IAI) à une longueur d'onde de 1064nm pour une application de microscopie par génération de seconde harmonique (GSH). La mesure de la stabilité des impulsions optiques ultracourtes en temps réel est cruciale pour diverses applications telles que la génération de peignes de fréquence, la génération de formes d'ondes optiques arbitraires, la synchronisation, la distribution de fréquence par les liaisons par fibre optique et une forte demande existe pour des lasers femtosecondes fiables à une longueur d'onde de 1μm pour les applications d'imagerie dans le domaine médical, en particulier la microscopie GSH à grand champ utilisant un oscillateur laser à haute puissance moyenne (plus de 4W) et à haut taux de répétition (dans la gamme de MHz) pour obtenir une imagerie à grande vitesse sur une grande surface. Cette thèse présente une étude complète des lasers à fibre à maintien de polarisation dopés à l'Yb, à verrouillage de mode passif, fonctionnant dans le domaine de la dispersion entièrement normale (DiEN) dans la région de longueur d'onde de 1,06μm. Le fonctionnement stable du verrouillage de mode en « germe » est le résultat de l'utilisation d'un réseau de Bragg de fibre (FBG) uniforme de 0,2 nm, de la minimisation de la longueur de la cavité et d'un miroir semi-conducteur à absorbant saturable (MSESA) pour limiter la fluence d'impulsion du train d'impulsions généré afin de ne pas dépasser 3 fois la fluence de saturation de l'absorbeur saturable (AS). La puissance de sortie moyenne, la largeur d'impulsion et la fréquence de répétition de 14mW, 10ps et 42MHz ont été obtenues respectivement à partir de la « germe » correspondant à la fluence d'impulsion d'environ 200μJ/cm2. L'impulsion générée a ensuite été directement amplifiée par un amplificateur monomode (AM) à deux étages et une post-amplification haute puissance à un étage pour atteindre plus de 10W de puissance de sortie moyenne. Comme la puissance de crête de l'impulsion dans le post-amplificateur est élevée, une auto-modulation de phase (AMP) se produit, ce qui entraîne un élargissement de la bande passante à environ 20 nm. La compression de 10ps à environ 200fs a été obtenue par une paire de réseaux transparents avec une densité de 1000 rainures/mm. Pour mesurer les fluctuations d'une impulsion à l'autre, la puissance de sortie moyenne du faisceau collimaté de 7W à moins de 100mW a été réduite en utilisant un polariseur et une plaque demi-onde comme atténuateur. Ensuite, le graphique de l'histogramme a été représenté pour la mesure de l'amplitude de plus d'un million d'impulsions par un oscilloscope 40GSA/s. En conclusion, la stabilité IAI d'environ 2,4 et 3,4 pour cent a été réalisée pour le « germe » et la sortie du laser à fibre à verrouillage de mode 1064nm respectivement. Une durée d'impulsion de 210fs a été obtenue dans un laser YDF à cavité linéaire fonctionnant à une fréquence de répétition fondamentale de 42MHz et une puissance de sortie moyenne de 7W, en utilisant le AMP du post-amplificateur.

While completing my degree at INRS, I have worked on generating, high pulse-to-pulse (P2P) stability high power femtosecond ytterbium-doped-fiber laser at 1064 nm wavelength for second harmonic generation (SHG) microscopy application. Stability measurement of ultrashort optical pulses in real-time is crucial for numerous applications such as frequency comb generation, arbitrary optical waveform generation, timing, and frequency distribution by optical fiber links. Strong demand exists for reliable femtosecond lasers at 1 μm wavelength for imaging applications in the medical field, especially wide-field SHG microscopy using a high average power (more than 4 W) and high-repetition-rate (in the range of MHz) laser oscillator to achieve high-speed imaging over a large area. This thesis gives a comprehensive investigation of passively mode-locked Yb-doped polarization-maintaining fiber lasers operating in all-normal dispersion (ANDi) domain at 1.06 μm wavelength region. The stable mode-locking operation in seed is a result of utilizing a uniform fiber Bragg grating (FBG) with a bandwidth of 0.2 nm, minimizing the cavity length and a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM), to limit the pulse fluence of the generated pulse train so that not exceeding 3 times the saturation fluence of the saturable absorber (SA). The average output power, pulse width and repetition rate of 14 mW, 10 ps and 42 MHz was achieved respectively from the seed corresponding to the pulse fluence of about 200 μJ/cm2. The generated pulse was then directly amplified by a two-stage single mode (SM) amplifier and one stage high power post amplification to reach more than 10 W of average output power. Since the peak power of the pulse in the post-amplifier is high, self-phase modulation (SPM) occurs leading to the broadening of the bandwidth to about 20 nm. The compression from 10 ps to about 200 fs was achieved by a transparent grating pair with groove density of 1,000 Grooves/mm. For measuring pulse to pulse fluctuations, the average output power of collimated beam from 7 W to sub 100 mW was decreased by using a polarizer and half wave plate as an attenuator. Then, the histogram chart was used to measure more than one million pulse amplitudes by a 40 GSA/s oscilloscope. In conclusion, the P2P stability of about 2.4%and 3.4% was realized for the seed and output of 1,064 nm mode locked fiber laser respectively. A pulse duration of 210 fs was achieved in a linear-cavity YDF laser running at a fundamental repetition rate of 42 MHz and average output power of 7 W, using SPM from the post-amplifier.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Légaré, François
Mots-clés libres:	Propagation non linéaire des impulsions ; stabilité d'une impulsion à l'autre ; auto-modulation de phase (AMP) ; laser à fibre femtoseconde ; microscopie à génération de seconde harmonique ; laser à fibre ; verrouillage de mode passif ; absorbeur saturable ; fibre dopée à l'Yb ; fibre à maintien de polarisation ; Nonlinear pulse propagation ; pulse-to-pulse stability ; Self-phase modulation (SPM) ; femtosecond fiber laser ; Second harmonic generation microscopy ; Fiber laser ; Passive mode-locking ; Saturable absorber ; Yb-doped fiber ; Polarization maintaining fiber
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	14 déc. 2023 19:18
Dernière modification:	19 déc. 2023 21:01
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13797

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