DOI: https://doi.org/10.1364/oe.589944
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42071414
تاريخ النشر: 2026-02-24
المؤلف: Jaka Petelin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
في هذا البحث، يتم تقديم ليزر ألياف نبضي ذاتي الاستقرار عند الطلب، يستخدم التحكم في الكسب السلبي من خلال مذبذب مقيد بالكسب. ينتج هذا النظام شعاعًا مساعدًا يتم تصفيته من مخرج المضخم، مع تحديد كسب التضخيم بواسطة خسائر المذبذب وقوة المضخة التي تحدد الحد الأقصى لمعدل التكرار للتضخيم المستقر. تحلل الدراسة الديناميات الزمنية لليزر في سياق نظرية تبديل الكسب، مما يظهر القدرة على إنتاج نبضات مضخمة مستقرة بمعدلات تتجاوز 100 كيلو هرتز مع طاقات نبض ثابتة. يتم استخدام مصدر نبضي قائم على ديود ليزر مع فترات نبض قصيرة تصل إلى 60 بيكو ثانية ومعدلات تكرار تصل إلى 200 ميغا هرتز، مما يسهل التحقيق في ديناميات الانقلاب السكاني بعد تضخيم النبض.
تشير النتائج إلى أن بنية مضخم الألياف المقيد بالكسب المقترحة تحقق تشغيلًا مستقرًا عند الطلب دون تعقيدات طرق التحكم النشطة، مما يوفر مزايا في المتانة والجدوى الاقتصادية. يتنبأ نموذج تحليلي قائم على نظرية تبديل الكسب بديناميات النظام، كاشفًا أن الحد الأقصى لمعدل التكرار مقيد بوقت الاستقرار للاهتزازات الاسترخائية المساعدة بعد تضخيم النبض. تقدم الدراسة أول دليل تجريبي على الاهتزازات الاسترخائية في المضخمات المقيدة بالكسب، موصلةً بين اهتزازات الكسب واهتزازات طاقة المساعد. يعمل النظام بشكل فعال عبر مجموعة من المعلمات، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تضخيم موثوق للإشارات ذات الطاقة المنخفضة. بينما قد تضحي طريقة تثبيت الكسب السلبي ببعض الكفاءة الضوئية مقارنة بالطرق النشطة، إلا أنها مفيدة بشكل خاص للتطبيقات الصناعية حيث تكون الموثوقية والصيانة الدنيا أمرين حاسمين.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم في أنظمة الليزر النبضي عند الطلب (PoD)، القادرة على توليد نبضات ليزر في أوقات عشوائية، مما يوفر فوائد كبيرة للتطبيقات الصناعية وبحوث الليزر. تعزز هذه الأنظمة جودة وسرعة معالجة الليزر من خلال السماح بدمج معلمات نبضات مختلفة ضمن سلسلة نبض واحدة. ومع ذلك، تظهر تحديات في الحفاظ على طاقات نبض مستقرة خلال التغيرات الديناميكية في معدلات التكرار، بالإضافة إلى إدارة التأثيرات الحرارية في الأنظمة الصلبة. تبرز الورقة تعقيدات تحقيق طاقة نبض ثابتة أثناء التضخيم، خاصة في أنظمة ليزر الألياف حيث يتأثر الانقلاب السكاني بقوة المضخة المتغيرة وتباعد النبضات.
لمعالجة هذه التحديات، تستكشف الورقة كل من طرق التحكم النشط والسلبي في الكسب. يستخدم التحكم النشط في الكسب مصدر بذور ثانوي لتثبيت التضخيم، بينما يقدم تثبيت الكسب السلبي تغذية راجعة انتقائية للطول الموجي للحفاظ على الانقلاب السكاني دون تحكم خارجي. يقدم المؤلفون تطبيقًا جديدًا لتثبيت الكسب السلبي في ليزر الألياف المشوبة باليتربيوم، مما يمكّن من تشغيل PoD الحقيقي من خلال الاستفادة من الديناميات الزمنية لآلية تثبيت الكسب. تم تطوير نموذج تحليلي قائم على نظرية تبديل الكسب لوصف الاهتزازات الاسترخائية التي ت triggered بواسطة تضخيم النبض الأساسي، مع التحقق التجريبي الذي يظهر تضخيمًا مستقرًا عبر مساحة واسعة من المعلمات. تشير النتائج إلى أن النهج المقترح يمكن أن يحقق استقرار طاقة النبض بنسبة ±1% عند معدلات تكرار تصل إلى 125 كيلو هرتز، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب طاقات نبض ثابتة في أنظمة مضخمات الألياف.
طرق
استخدم الإعداد التجريبي للمضخم المقيد بالكسب مذبذب حلقي كامل الألياف يتميز بشعاع مساعد متجه عكسي. تضمن المضخم ألياف يتربيوم مشوبة بطول 2 متر (Nufern PM-YDF-5/130) مع مقطع عرضي للنواة قدره $A = 19.6 \, \mu m^2$، مصممًا لضخ الغلاف عبر ديود ليزر متعدد الأوضاع. تم تحديد معامل امتصاص مضخة الغلاف ليكون 0.95 ديسيبل/متر عند طول موجي للمضخة قدره $\lambda_p = 976 \, nm$. تم بناء المذبذب الحلقي باستخدام موصلات ألياف 10/90 وفلتر طيفي، والذي تضمن دوار ألياف وشبكة براغ عاكسة ضيقة النطاق مع عاكسية قصوى تبلغ 99.5% وعرض نطاق يبلغ 1 نانومتر، مما يضمن انبعاث ضوئي ضيق عند الطول الموجي المساعد 1030 نانومتر.
تم تزويد المضخم بواسطة ديود ليزر بتغذية راجعة موزعة (DFB) يعمل عند 1031 نانومتر، قادر على توليد نبضات تتراوح من 60 بيكو ثانية إلى 5 نانو ثانية ويدعم معدلات تكرار من لقطة واحدة إلى 200 ميغا هرتز. تم استخراج الناتج المضخم من منفذ الإشارة 90% لأحد الموصلات، بينما تم توجيه الـ 10% المتبقية إلى الحلقة المساعدة ثم تم رفضها. تم تسهيل مراقبة الناتج المضخم بواسطة كاشف ضوئي عالي السرعة متصل بمذبذب رقمي، مما يسمح بالملاحظة المتزامنة للإشارة المساعدة المتجهة عكسيًا. تم إجراء جميع القياسات في بيئة محكومة بدرجة الحرارة، مع تثبيت المكونات الضوئية على مبرد لتقليل تقلبات درجة الحرارة، على الرغم من أن الاستقرار طويل الأمد لنظام الليزر لم يكن محور تركيز هذه الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة حول ليزر الألياف النبضي الذاتي الاستقرار عند الطلب إلى أن التضخيم المستقر للنبضات يحدث تحت ظروف تشغيل متغيرة. عند معدل تكرار قدره 50 كيلو هرتز وقوة مضخة واردة قدرها 20.7 واط، يحتفظ كل نبض مضخم بطاقة قدرها $2.9 \, \mu J \pm 0.03 \, \mu J$، مما يظهر فعالية التحكم السلبي في الكسب. تظهر الإشارة المساعدة اهتزازات استرخائية تتميز بغلاف تخميد أسي مع معامل تخميد يبلغ حوالي $0.5 \, \mu s^{-1}$، مما يتماشى مع التوقعات النظرية. من الجدير بالذكر أنه بينما لا تؤثر قوة المضخة الممتصة على كسب الإشارة الأساسية، إلا أنها تؤثر على طاقة المساعد ومعدل إعادة السكان لمستوى الليزر العلوي، مما يؤثر بدوره على قوة تخميد الاهتزازات.
تظهر الدراسة أيضًا أن قوة إشارة الإدخال تؤثر على ديناميات النظام من خلال عمق الاضطراب الذي تسببه. تؤدي طاقات نبض الإشارة الأعلى إلى استنفاد أكبر للانقلاب السكاني أثناء التضخيم، ومع ذلك يمكن أن تحدث اهتزازات استرخائية مساعدة حتى عند طاقات إشارة أقل. يبقى معامل التخميد $\beta$ ثابتًا عبر طاقات الإشارة المتغيرة، مما يشير إلى أن الاضطراب يبقى ضمن نطاق مناسب للتسطيح. تؤكد تحليل الاهتزازات الاسترخائية المساعدة المقاسة باستخدام دوال الانحلال الأسي وجود علاقة خطية بين معامل التخميد وقوة المضخة الممتصة. بالإضافة إلى ذلك، يُقدّر الحد الأقصى لتردد النظام بحوالي 100 كيلو هرتز عند قوة مضخة قدرها 30 واط، مع إمكانية تحقيق زيادات من خلال تقليل الخسائر واستراتيجيات الضخ النبضي.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون ديناميات مضخم الألياف المقيد بالكسب، مؤكدين على التفاعل بين فوتونات المضخة والإشارة والمساعد. يتم تطبيق نظرية تبديل الكسب لتحليل حلقة التغذية الراجعة للمساعد في المضخم، كاشفة أنه بعد كل نبضة مضخمة، يخضع الانقلاب السكاني لانتقالات، مما يؤدي إلى اهتزازات استرخائية في كل من كثافة فوتونات المساعد والانقلاب السكاني. يعد وقت الاستقرار، المسمى $t_s$، حاسمًا لأنه يحدد الحد الأقصى لمعدل التكرار المستقر لنبضات الإشارة الأساسية، مع العلاقة $f_{\text{max}} \approx \frac{1}{t_s}$. يستنتج المؤلفون معادلات تصف الاهتزازات الم damped لفوتونات المساعد ويؤكدون أن معامل التخميد $\beta$ يتناسب خطيًا مع قوة المضخة الممتصة، مما يشير إلى مسار لتحسين استجابة النظام.
توفر التجارب المضخة-الاستقصاء تحققًا تجريبيًا للتوقعات النظرية، مما يظهر السلوك الاهتزازي لعدد سكان مستوى الليزر العلوي وترابطه مع ديناميات فوتونات المساعد. تظهر النتائج أن النظام يمكن أن يحقق تشغيلًا مستقرًا عند الطلب بمعدلات تكرار تصل إلى 125 كيلو هرتز، مع تحسين استقرار طاقة النبض بشكل كبير دون هذا العتبة. يستنتج المؤلفون أن طريقة التحكم السلبي في الكسب تقدم مزايا على تقنيات التحكم النشطة التقليدية، خاصة من حيث المتانة وسهولة التنفيذ، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية. كما يبرزون إمكانية تمديد الحد الأقصى لمعدلات التكرار من خلال استراتيجيات الضخ النبضي مع الاعتراف بالتجارة في الكفاءة الضوئية.
DOI: https://doi.org/10.1364/oe.589944
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42071414
Publication Date: 2026-02-24
Author(s): Jaka Petelin et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
In this research, a self-stabilizing pulse-on-demand fiber laser is presented, utilizing passive gain control through a gain-clamped oscillator. This system generates an idler beam that is filtered from the amplifier output, with amplification gain determined by oscillator losses and pump power dictating the maximum repetition rate for stable amplification. The study analyzes the temporal dynamics of the laser in the context of gain-switching theory, demonstrating the ability to produce stable amplified pulses at rates exceeding 100 kHz with constant pulse energies. A laser diode-based seeder with pulse durations as short as 60 ps and repetition rates up to 200 MHz is employed, facilitating the investigation of population inversion dynamics post-pulse amplification.
The findings indicate that the proposed fiber amplifier architecture achieves stable pulse-on-demand operation without the complexities of active control methods, offering advantages in robustness and cost-effectiveness. An analytical model based on gain-switching theory predicts system dynamics, revealing that the maximum repetition rate is limited by the settling time of idler relaxation oscillations following pulse amplification. The study provides the first experimental evidence of relaxation oscillations in gain-clamped amplifiers, correlating gain oscillations with idler power oscillations. The system operates effectively across a range of parameters, making it suitable for applications requiring reliable amplification of low-power signals. While the passive gain-clamping approach may sacrifice some optical efficiency compared to active methods, it is particularly advantageous for industrial applications where reliability and minimal maintenance are critical.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements in pulse-on-demand (PoD) laser systems, which are capable of generating laser pulses at arbitrary times, offering significant benefits for industrial applications and laser research. These systems enhance laser processing quality and speed by allowing the combination of various pulse parameters within a single pulse train. However, challenges arise in maintaining stable pulse energies during dynamic changes in repetition rates, as well as managing thermal effects in solid-state systems. The paper highlights the complexities of achieving consistent pulse energy during amplification, particularly in fiber laser systems where population inversion is affected by varying pump power and pulse spacing.
To address these challenges, the paper explores both active and passive gain control methods. Active gain control utilizes a secondary seed source to stabilize amplification, while passive gain clamping introduces wavelength-selective feedback to maintain population inversion without external control. The authors present a novel application of passive gain clamping in ytterbium-doped fiber lasers, enabling true PoD operation by leveraging the temporal dynamics of the gain clamping mechanism. An analytical model based on gain-switching theory is developed to describe the relaxation oscillations triggered by primary pulse amplification, with experimental validation demonstrating stable amplification across a wide parameter space. The findings indicate that the proposed approach can achieve pulse energy stability of ±1% at repetition rates up to 125 kHz, making it particularly suitable for applications requiring consistent pulse energies in fiber preamplifier systems.
Methods
The experimental setup for the gain-clamped amplifier utilized an all-fiber ring oscillator featuring a counter-propagating idler beam. The amplifier incorporated a 2 m long single-mode ytterbium-doped fiber (Nufern PM-YDF-5/130) with a core cross-section of $A = 19.6 \, \mu m^2$, designed for cladding pumping via a multimode laser diode. The cladding pump absorption coefficient was determined to be 0.95 dB/m at a pump wavelength of $\lambda_p = 976 \, nm$. The ring oscillator was constructed using 10/90 fiber couplers and a spectral filter, which included a fiber circulator and a narrow band reflecting fiber Bragg grating with a peak reflectivity of 99.5% and a bandwidth of 1 nm, ensuring narrow optical emission at the idler wavelength of 1030 nm.
The amplifier was seeded by a distributed feedback (DFB) laser diode operating at 1031 nm, capable of generating pulses ranging from 60 ps to 5 ns and supporting repetition rates from single-shot to 200 MHz. The amplified output was extracted from the 90% signal port of one of the couplers, while the remaining 10% was directed into the idler ring and subsequently rejected. Monitoring of the amplified output was facilitated by a high-speed photodetector connected to a digital oscilloscope, allowing for simultaneous observation of the counter-propagating idler signal. All measurements were conducted in a temperature-controlled environment, with optical components mounted on a heatsink to minimize temperature fluctuations, although the long-term stability of the laser system was not a focus of this study.
Results
The results of the study on the self-stabilizing pulse on demand fiber laser indicate that stable amplification of pulses occurs under varying operational conditions. At a repetition rate of 50 kHz and an incident pump power of 20.7 W, each amplified pulse maintains an energy of $2.9 \, \mu J \pm 0.03 \, \mu J$, demonstrating effective passive gain control. The idler signal exhibits relaxation oscillations characterized by an exponential damping envelope with a damping coefficient of approximately $0.5 \, \mu s^{-1}$, aligning with theoretical predictions. Notably, while the absorbed pump power does not affect the gain of the primary signal, it influences the idler power and the repopulation rate of the upper laser level, thereby impacting the damping strength of the oscillations.
The study further reveals that the incident signal power affects the system’s dynamics through the depth of perturbation it induces. Higher signal pulse energies lead to greater depletion of the population inversion during amplification, yet idler relaxation oscillations can still occur at lower signal energies. The damping coefficient $\beta$ remains consistent across varying signal energies, indicating that the perturbation stays within a regime suitable for linearization. Analysis of the measured idler relaxation oscillations using exponential decay functions confirms a linear relationship between the damping coefficient and absorbed pump power. Additionally, the maximum frequency of the system is estimated to be around 100 kHz at 30 W pump power, with potential increases achievable through reduced losses and pulsed pumping strategies.
Discussion
In this section, the authors discuss the dynamics of a gain-clamped fiber amplifier, emphasizing the interplay between pump, signal, and idler photons. The gain switching theory is applied to analyze the amplifier’s idler feedback loop, revealing that after each amplified pulse, the population inversion undergoes transients, leading to relaxation oscillations in both idler photon density and population inversion. The settling time, denoted as $t_s$, is critical as it defines the maximum stable repetition rate of the primary signal pulses, with the relationship $f_{\text{max}} \approx \frac{1}{t_s}$. The authors derive equations that describe the damped oscillations of idler photons and establish that the damping coefficient $\beta$ scales linearly with absorbed pump power, indicating a pathway for optimizing system response.
The pump-probe experiments conducted provide empirical validation of the theoretical predictions, demonstrating the oscillatory behavior of the upper laser level population and its correlation with idler photon dynamics. The results show that the system can achieve stable pulse-on-demand operation at repetition rates up to 125 kHz, with pulse energy stability improving significantly below this threshold. The authors conclude that their passive gain control method offers advantages over traditional active control techniques, particularly in terms of robustness and ease of implementation, making it suitable for various industrial applications. They also highlight the potential for extending maximum repetition rates through pulsed pumping strategies while acknowledging trade-offs in optical efficiency.