Design of a Chirped Pulse Amplification System based on Tapered Fiber Amplifier
Rissanen, Joona (2020)
Rissanen, Joona
2020
Teknis-luonnontieteellinen DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Science and Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004213467
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004213467
Tiivistelmä
High-power ultrafast lasers are novel tools with plenty of potential applications, especially in materials processing. Fiber lasers, in particular, can fulfill the robustness, cost-efficiency and high-average-power requirements of industrial operation. However, nonlinear effects such as self-phase modulation and stimulated Raman scattering severely limit the peak power available directly from a normal fiber amplifier. The primary way to overcome these limitations is chirped pulse amplification in which a weak seed pulse is first temporally stretched, then amplified, and finally recompressed to ultrashort duration. Additionally, peak power can be scaled up by using an active fiber with large effective mode area but that causes new difficulties in obtaining single-mode beam quality. A simple technique to avoid those problems is to use a tapered double-clad fiber, whose core size grows from standard single-mode dimensions to multiple times larger towards the output while maintaining fundamental mode operation throughout.
This thesis describes a laser system design relying on both of these techniques, tapered double-clad fiber and chirped pulse amplification, to generate high-peak power pulses at 1µm. The laser system includes an experimentally built semiconductor saturable absorber mirror mode-locked polarization maintaining fiber seed laser at 1040nm and a numerically investigated amplifier chain, including a tunable chirped fiber Bragg grating stretcher, a pulse picker, two single-mode preamplifiers, a tapered power amplifier and a transmission grating compressor. The seed laser’s ring cavity is based on numerous iterations of experimental testing with different intra-cavity filters, fiber lengths and output coupling ratios to obtain a broad spectrum. The design of the rest of the chirped pulse amplification system is based on practical experience with tapered fiber amplifiers and theoretical calculations. This thesis covers the choices and compromises relevant to each element in the laser system in detail.
The numerical model developed for the dispersive elements and the fiber amplifiers combines both rate equation simulations to compute gain and generalized nonlinear Schrödinger equation simulations to handle ultrafast pulse propagation in optical fibers. Using that model, the seed pulses are propagated sequentially through each component and fiber piece in the amplifier chain and finally, through the compressor with the aim of maximizing peak power at the output. A direct comparison to experimental results is still pending, but the model appears to give physically sensible results in the limited cases where a comparison is possible to similar fiber amplifiers tested in the past.
The main limitation of the developed chirped pulse amplification system is revealed by the simulations to be self-phase modulation in the tapered power amplifier, especially when combined with the irregular pulse shape from stretching the experimental seed laser pulse. The resulting complicated nonlinear phase shift cannot be properly compensated in the compressor, which leads to strong side pulses. Using Gaussian seed pulses with 5.4nm spectral width, the numerical model predicts that the chirped pulse amplification system can generate 52µJ, 480fs pulses at a B-integral of 12.4rad. Ultranopeilla suurteholasereilla on monia potentiaalisia sovelluskohteita erityisesti materiaalintyöstössä, jossa niiltä vaaditaan luotettavuutta, kustannustehokkuutta ja mahdollisimman suurta keskiarvotehoa. Kaikkiin näihin vaatimuksiin pystyvät vastaamaan varsinkin kuitulaserit. Suoraan kuitulaserista tai -vahvistimesta saatavaa piikkitehoa rajoittavat kuitenkin ankarasti epälineaariset ilmiöt kuten itseisvaihemodulaatio (self-phase modulation) ja stimuloitu Raman-sironta. Tärkein menetelmä näiden rajoitusten ohittamiseksi on venytettyjen pulssien vahvistustekniikka (chirped pulse amplification), jossa sisään tuleva heikko pulssi ensin venytetään pidemmäksi aikatasossa, sitten vahvistetaan ja lopulta kompressoidaan takaisin ultralyhyeen mittaansa. Tämän lisäksi piikkitehoa voi kasvattaa entisestään käyttämällä vahvistimessa moodin pinta-alaltaan suurta valokuitua, mikä kuitenkin vaikeuttaa yksimuotoisen säteenlaadun aikaansaamista. Yksinkertainen tekniikka tämän ongelman ratkaisemiseksi on paksuneva kaksivaippainen valokuitu (tapered double-clad fiber), jonka ytimen koko kasvaa pituussuunnassa yksimuotokuidun mitoista moninkertaiseksi tultaessa ulostuloa kohti säteen säilyessä samalla täysin yksimuotoisena.
Tämä diplomityö kuvailee lasersysteemin, joka hyödyntää näitä molempia tekniikoita suuren piikkitehon pulssien tuottamiseen 1µm aallonpituudella. Systeemi sisältää kokeellisesti rakennetun muotolukitun kuitulaserin 1040nm aallonpituudella perustuen saturoituvasti absorboivaan puolijohdepeiliin (SESAM) ja polarisaation säilyttäviin valokuituihin. Pulssien lähteenä toimivan laserin lisäksi systeemiin kuuluu numeerisilla simulaatioilla testattu kuituvahvistinketju sisältäen säädettävän kuitu Braggin hila venyttäjän, nopean optisen kytkimen toistotaajuuden laskemiseen, kaksi yksimuotokuituesivahvistinta, paksunevasta valokuidusta tehdyn tehovahvistimen sekä läpäisyhilakompressorin. Kokeellisen laserlähteen rengaskaviteetin komponentit kuten kapea suodin (band pass filter), ulostulon suuruus ja kuitujen mitat on valittu kattavan kokeellisen testauksen jälkeen leveäspektristen pulssien tuottamiseksi. Vahvistinosan suunnitelma taas perustuu kokemukseen vastaavien vahvistinten kanssa työskentelystä sekä teoreettisiin laskelmiin. Suunnitelmassa tehdyt valinnat ja kompromissit käydään tässä työssä yksityiskohtaisesti läpi.
Dispersiivisille komponenteille ja kuituvahvistimille kehitetty numeerinen malli yhdistää aktiivikuidun vahvistusta kuvaavat yhtälöt ja yleistetyn epälineaarisen Schrödinger-yhtälön pulssien etenemisen kuvaamiseksi optisessa kuidussa. Mallia käyttäen pulssit kuljetetaan lasersysteemin läpi komponentti ja kuitu kerraallaan tavoitteena maksimoida piikkiteho kompressoinnin jälkeen. Mallin suora vertailu kokeellisiin mittauksiin ei ole vielä ollut mahdollista, mutta malli antaa fysikaalisesti järkeviä tuloksia niiltä osin kun ne ovat verrattavissa aiemmin testattuihin vastaavanlaisiin kuituvahvistimiin.
Kuvatun venytettyjen pulssien vahvistusjärjestelmän suurimmaksi rajoitteeksi paljastui simulaatioiden myötä itseisvaihemodulaatio paksunevassa valokuidussa erityisesti yhdistettynä epäsäännölliseen pulssin muotoon, joka saadaan venyttämällä kokeellisen laserlähteen pulsseja. Seurauksena olevaa monimutkaista epälineaarista vaihetta ei ole mahdollista kompensoida hilakompressorissa, mikä näkyy voimakkaina sivupulsseina. Käyttämällä Gaussista lähtöpulssia 5.4nm spektrinleveydellä numeerinen malli ennustaa lasersysteemin pystyvän tuottamaan 52µJ, 480fs pulsseja B-integraalin arvolla 12.4rad.
This thesis describes a laser system design relying on both of these techniques, tapered double-clad fiber and chirped pulse amplification, to generate high-peak power pulses at 1µm. The laser system includes an experimentally built semiconductor saturable absorber mirror mode-locked polarization maintaining fiber seed laser at 1040nm and a numerically investigated amplifier chain, including a tunable chirped fiber Bragg grating stretcher, a pulse picker, two single-mode preamplifiers, a tapered power amplifier and a transmission grating compressor. The seed laser’s ring cavity is based on numerous iterations of experimental testing with different intra-cavity filters, fiber lengths and output coupling ratios to obtain a broad spectrum. The design of the rest of the chirped pulse amplification system is based on practical experience with tapered fiber amplifiers and theoretical calculations. This thesis covers the choices and compromises relevant to each element in the laser system in detail.
The numerical model developed for the dispersive elements and the fiber amplifiers combines both rate equation simulations to compute gain and generalized nonlinear Schrödinger equation simulations to handle ultrafast pulse propagation in optical fibers. Using that model, the seed pulses are propagated sequentially through each component and fiber piece in the amplifier chain and finally, through the compressor with the aim of maximizing peak power at the output. A direct comparison to experimental results is still pending, but the model appears to give physically sensible results in the limited cases where a comparison is possible to similar fiber amplifiers tested in the past.
The main limitation of the developed chirped pulse amplification system is revealed by the simulations to be self-phase modulation in the tapered power amplifier, especially when combined with the irregular pulse shape from stretching the experimental seed laser pulse. The resulting complicated nonlinear phase shift cannot be properly compensated in the compressor, which leads to strong side pulses. Using Gaussian seed pulses with 5.4nm spectral width, the numerical model predicts that the chirped pulse amplification system can generate 52µJ, 480fs pulses at a B-integral of 12.4rad.
Tämä diplomityö kuvailee lasersysteemin, joka hyödyntää näitä molempia tekniikoita suuren piikkitehon pulssien tuottamiseen 1µm aallonpituudella. Systeemi sisältää kokeellisesti rakennetun muotolukitun kuitulaserin 1040nm aallonpituudella perustuen saturoituvasti absorboivaan puolijohdepeiliin (SESAM) ja polarisaation säilyttäviin valokuituihin. Pulssien lähteenä toimivan laserin lisäksi systeemiin kuuluu numeerisilla simulaatioilla testattu kuituvahvistinketju sisältäen säädettävän kuitu Braggin hila venyttäjän, nopean optisen kytkimen toistotaajuuden laskemiseen, kaksi yksimuotokuituesivahvistinta, paksunevasta valokuidusta tehdyn tehovahvistimen sekä läpäisyhilakompressorin. Kokeellisen laserlähteen rengaskaviteetin komponentit kuten kapea suodin (band pass filter), ulostulon suuruus ja kuitujen mitat on valittu kattavan kokeellisen testauksen jälkeen leveäspektristen pulssien tuottamiseksi. Vahvistinosan suunnitelma taas perustuu kokemukseen vastaavien vahvistinten kanssa työskentelystä sekä teoreettisiin laskelmiin. Suunnitelmassa tehdyt valinnat ja kompromissit käydään tässä työssä yksityiskohtaisesti läpi.
Dispersiivisille komponenteille ja kuituvahvistimille kehitetty numeerinen malli yhdistää aktiivikuidun vahvistusta kuvaavat yhtälöt ja yleistetyn epälineaarisen Schrödinger-yhtälön pulssien etenemisen kuvaamiseksi optisessa kuidussa. Mallia käyttäen pulssit kuljetetaan lasersysteemin läpi komponentti ja kuitu kerraallaan tavoitteena maksimoida piikkiteho kompressoinnin jälkeen. Mallin suora vertailu kokeellisiin mittauksiin ei ole vielä ollut mahdollista, mutta malli antaa fysikaalisesti järkeviä tuloksia niiltä osin kun ne ovat verrattavissa aiemmin testattuihin vastaavanlaisiin kuituvahvistimiin.
Kuvatun venytettyjen pulssien vahvistusjärjestelmän suurimmaksi rajoitteeksi paljastui simulaatioiden myötä itseisvaihemodulaatio paksunevassa valokuidussa erityisesti yhdistettynä epäsäännölliseen pulssin muotoon, joka saadaan venyttämällä kokeellisen laserlähteen pulsseja. Seurauksena olevaa monimutkaista epälineaarista vaihetta ei ole mahdollista kompensoida hilakompressorissa, mikä näkyy voimakkaina sivupulsseina. Käyttämällä Gaussista lähtöpulssia 5.4nm spektrinleveydellä numeerinen malli ennustaa lasersysteemin pystyvän tuottamaan 52µJ, 480fs pulsseja B-integraalin arvolla 12.4rad.