Optimization of passive ul trafast fiber lasers based on indium nitride for novel applications
- Autores: Laura Monroy Lafuente
- Directores de la Tesis: Miguel González Herráez (dir. tes.), Fernando Bernabé Naranjo Vega (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Arnaud Mussot (presid.), Óscar Esteban Martínez (secret.), David Salido Monzú (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Los láseres ultrarrápidos en fibra constituyen una de las fuentes de luz más utilizadas actualmente debido a su fiabilidad y flexibilidad, convirtiéndose en la pieza clave de múltiples aplicaciones, como las comunicaciones ópticas, el procesamiento de materiales o la espectroscopía. Entre ellos, los láseres en fibra anclado en modos basados en el uso de absorbentes saturables demuestran características superiores de estabilidad, simplicidad y bajo coste, capaces de emitir pulsos ultracortos con potencias extremadamente altas en un amplio rango espectral. En las últimas décadas, se han probado varios absorbentes saturables, donde los materiales de semiconductor destacan por su amplia profundidad de modulación, su elevada absorción no lineal y su baja intensidad de saturación. Sin embargo, presentan algunas limitaciones como un estrecho ancho de banda y un bajo umbral de daño. Por tanto, en este trabajo se propone el uso de un semiconductor de InN en un láser todo en fibra anclado en modos para la generación de láseres ultrarrápidos de alta potencia en la región del infrarrojo cercano. Esta configuración ha demostrado trenes de pulsos Gaussianos en el rango de los femtosegundos mediante un sistema sencillo y de bajo coste.
En esta tesis, el objetivo es optimizar las características de un láser de fibra anclado en modos basado en un absorbente saturable de InN, y desarrollar un novedoso dispositivo espectroscópico para aplicaciones de detección. Primeramente, se estudia la mejora de las propiedades del absorbente saturable de semiconductor mediante un mayor control del dopaje residual así como del crecimiento de material, demostrando el máximo comportamiento no lineal para este tipo de absorbentes saturables en un láser en fibra. También se discute como estas características podrían mejorarse mediante el desarrollo de un nuevo diseño de láser totalmente en fibra, capaz de contrarrestar las limitaciones actuales de ruido y perdidas de inserción dentro de la cavidad láser. De este modo, se demuestra la duración de pulso más corta y la máxima potencia óptica, conservando una configuración sencilla, lo que allana el camino hacia el desarrollo de sistemas láser comerciales en aplicaciones de alta potencia.
A continuación, se introducen nuevas aplicaciones potenciales del sistema láser de fibra: en la detección de gases, mediante la generación de supercontinuo del pulso láser ultrarrápido en fibras monomodo capaces de cubrir espectros de absorción más amplios; y en la caracterización de moléculas biológicas mediante el uso de una novedosa estructura espectroscópica SF-CARS conectada a la fuente láser totalmente en fibra. Además, se exponen las implicaciones del chirp-matching en el rendimiento de la medición de la absorción, y el impacto de la dispersión y los efectos no lineales generados por diferentes fibras ópticas en la compresión y el ensanchamiento de los pulsos de fibra ultrarrápidos. La configuración láser propuesta supera la máxima resolución medible y la cobertura espectral, las limitaciones más importantes a las que se enfrenta la espectroscopía moderna.
Finalmente, se resumen los objetivos alcanzados en esta tesis, evaluando el potencial de las aplicaciones propuestas, así como futuras líneas de investigación basadas en dichos hallazgos.
- English
Ultrafast fiber lasers are currently a very predominant research field due to their advantageous properties of reliability, compactness and flexibility, which have become the key to multiple applications, such as optical communications, material processing, spectroscopy, etc. Among them, mode-locked fiber lasers incorporating saturable absorbers demonstrate superior characteristics of simplicity, low cost and stability, capable of emitting short pulses in the femtosecond range with extremely high optical powers in a wide spectral range. In the last decades, several saturable absorbers have been tested, with semiconductor materials standing out due to their extensive modulation depth, high nonlinear saturable absorption, and low saturation intensity. However, some limitations such as a narrow working bandwidth and a low damage threshold level are also present. In this sense, we propose in this work the use of an InN semiconductor saturable absorber in a polarization independent mode-locked ring fiber laser for ultrafast high power laser generation in the nearinfrared region. This configuration has proven to generate femtosecond trains of Gaussian pulses in a desirably simple implementation.
In this work, we aimed to optimize the laser performance of a mode-locked fiber laser based on an InN saturable absorber, and develop a novel spectroscopic device for sensing applications. We report the improvement of the semiconductor saturable absorber properties by a higher control of the residual doping as well as the material deposition during the fabrication process, demonstrating the maximum nonlinear behavior and damage threshold achieved by this type of saturable absorber in a ring fiber laser. We also discuss how these characteristics might be increased by developing a new all-fiber laser design to counteract the current limitations of noise and insertion losses within the laser cavity. In doing so, we demonstrate the shortest pulse duration and maximum optical power, while retaining a simple set-up, paving the way toward commercial laser systems in high power applications.
Afterwards, we develop potential applications employing the fiber laser system: in gas sensing, by exploiting the supercontinuum generation of the ultrafast laser pulse in standard single-mode fibers capable of covering the broadest absorption spectra of the sample under study; and in the characterization of biological molecules by using a novel SF-CARS spectroscopic structure embedded in the all-fiber laser source. We discuss the implications of chirp-matching on the performance of the absorption measurement, and the impact of dispersion and nonlinear effects generated by different optical fibers in the compression and broadening of ultrafast fiber pulses. The proposed laser configuration overcomes two of modern spectroscopy’s most significant limitations: maximum resolution and spectral coverage.
The objectives achieved in this thesis are finally summarized, evaluating the viability of the proposed applications, as well as commenting on open lines of research originating from the findings.
- español
