Conception of a Low-Noise Ultrafast Fiber Laser System Toward nJ Phase Stable Pulses in the Mid-Infrared

Dans le contexte du développement technologique d'un nouveau laboratoire en photonique quantique ultrarapide, un système laser tout-fibre à maintien de polarisation est présenté. En exploitant les propriétés de stabilité exceptionnelle des lasers à fibres dopées à l'erbium, l'objectif de ce projet est de générer un train d'impulsions fs dont le niveau de bruit se rapproche de la limite quantique. Dans le but de faire de la recherche novatrice en spectroscopie à résolution temporelle, l'intensité des impulsions produites par le système laser fibré est maximisée pour entrainer efficacement un processus non linéaire de génération de fréquences dans l'infra-rouge moyen. Dans le présent travail, un laser à fibre dopée à l'erbium atteignant passivement la synchronisation de modes est construit, et celui-ci produit de manière fiable et robuste un train d'impulsions ultrabrèves à un taux de répétition de 75.4 MHz. Le bruit d'intensité de l'oscillateur maître est profondément caractérisé. Les résultats indiquent un bruit d'intensité relative de 0.023 % (0.048 %) intégré sur une plage de fréquence allant de 10 Hz à 100 kHz (1 MHz). L'analyse de la densité spectrale de puissance du bruit d'intensité relative de l'oscillateur révèle une domination du bruit technique à basses fréquences induit par le laser de pompe. Afin d'augmenter significativement l'intensité des impulsions produites par l'oscillateur maître, un amplificateur à fibre dopée à l'erbium est conçu et caractérisé. Une distribution longitudinale ajustée de la dispersion à travers le système fibré permet d'obtenir une énergie d'impulsion de 4.2 nJ tout en contrôlant l'impact des effets optiques non linéaires dans l'amplificateur. De même, la composition spectrale des impulsions est élargie jusqu'à 55 nm de largeur à mi-hauteur afin de permettre une durée temporelle d'impulsion théoriquement minimale de 53 fs. Un modèle numérique de la propagation des impulsions dans le système d'amplification laser fibré est développé afin de faciliter le pro-cessus d'optimisation du spectre en sortie de l'amplificateur. Les simulations révèlent qu'une compression temporelle excessive dans la fibre de sortie de l'amplificateur pourrait causer une dégradation de la qualité des impulsions. Pour contrer les impacts indésirables de la variation de phase spectrale irrégulière observée dans le présent système, le modèle numérique est utilisé pour proposer une nouvelle configuration de dispersion. Les prochaines étapes pour l'optimisation du système sont claires, et l'efficacité d'un processus de compression temporelle des impulsions en sortie de l'amplificateur s'en trouvera améliorée, tout comme la forme des impulsions elle-même.

Abstract

An ultrafast all-PM Er:fiber laser system is presented in the context of a larger technological scheme for research in quantum optics. The objective is to obtain an ultralow-noise high peak power pulse train for eÿcient driving of nonlinear frequency mixing processes and generation of phase-stable pulses in the MIR. A self-starting passively mode-locked Er:fiber laser operating at the repetition rate of 75.4 MHz has been constructed and optimized for noise reduction. The intensity noise of the master oscillator has been extensively studied, and shows an integrated rms RIN of 0.023 % (0.048 %) on a frequency range of 10 Hz to 100 kHz (1 MHz). Through analysis of the RIN PSD, we find that our laser free-running intensity noise is dominated by pump technical noise at low frequency. A broadband EDFA running in the self-similar pulse amplification regime has been constructed for pulse energy amplification to 4.2 nJ and its dispersion map permits controlled SPM spectral broadening to 55 nm (FWHM). For further optimization of the EDFA output spectrum and pulse compressibily, a numerical model of the EDFA pulse propagation has been developed solving the NLSE, with gain implementation. From analysis of the EDFA output spectrum together with the simulations results, it is found that excessive temporal compression of the pulse in the EDFA output fiber may compromise the pulse shape quality. The numerical simulations are utilized to propose a strategic change to the amplification stage setup that could yield a clean output spectrum and eÿcient GVD compensation of the residual chirp for a compressed pulse duration approaching the theoretical transform-limited value of 53 fs (FWHM) and peak powers above 60 kW.