Study of Pair Induced Quenching in Nanosecond-pulsed Holmium-doped Fiber Amplifiers

Abstract

Holmium-dopede fiberlaserforsterkere kan operere med en bølgelengde på ~ 2,1 µm, som er en «øye-sikker» bølgelengde som kan forplante seg gjennom atmosfæren med lav demping. Dette gjør forsterkere av denne typen til lovende kandidater for en rekke laserapplikasjoner, som for eksempel optisk frittromskommunikasjon og fjernmåling. Holmium-dopede fiber forsterkere har derimot i mange studier vist seg å ha en lavere virkningsgrad enn teoretisk forventet. Årsaken til dette er ofte tilskrevet klynger av holmium-ioner og en relatert tapsmekanisme som kalles «pair induced quenching» (PIQ).

I dette arbeidet undersøkes PIQ i holmium-dopede optiske fiberforsterkere. Spesifikt blir dynamiske aspekter av PIQ-prosessen som skjer på tidsskalaer kortere enn mikrosekund studert, noe som er avgjørende for forståelsen av pulsede holmium-dopede fiberforsterkere som opererer i nanosekund-tidsregimet.

Det ble utviklet en numerisk rateligningsmodell for holmium-dopede fiber-forsterkere som tar med i betraktning dynamiske aspekter ved PIQ. Denne modellen ble utviklet for å følge de eksperimentelle delene av dette prosjektet, og den ble grundig evaluert ved å sammenligne simuleringer med eksperimentelle resultater. Overordnet sett viser den numeriske modellen god enighet mellom simuleringer og eksperimenter.

Spektroskopiske målinger ble gjort med holmium-dopede optiske fibre for å måle viktige parametere i PIQ-prosessen. Nærmere bestemt ble det utført tidsoppløste fluorescensmålinger for å bestemme levetiden til dobbelt-eksiterte holmium-ionepar. Denne levetiden ble målt til å være 460 ns, som er nesten en størrelsesorden større enn den etablerte levetiden på 50 ns for erbium.

I tillegg ble målinger av ikke-blekbar absorpsjon brukt til å bestemme mengden ionepar i en holmium-dopet fiberprøve. Denne metoden har i flere tiår vært den aksepterte metoden som brukes for å estimere parinnhold i erbium-dopede fibre. Numeriske simuleringer i dette arbeidet viser imidlertid at på grunn av den signifikante lengre parlevetiden i holmium, kan metoden være utsatt for å underestimere parinnholdet i holmium-dopede fibre.

Den praktiske innvirkningen av PIQ ble også undersøkt i en høyeffekts holmium-dopet fiberforsterker som leverte 20 ns lange pulser med bølgelengde 2107 nm med en repetisjonshastighet på 100 kHz og oppnådde en gjennomsnittseffekt opptil 5,4 W. Undersøkelsen ble utført ved å pumpe forsterkeren med korte 20 ns pulser med en bølgelengde på 1950 nm, for så å måle den optiske virkningsgraden når forsinkelsen mellom pumpe- og signal-pulsene ble variert. Det ble funnet ut at virkningsgraden falt med økende forsinkelser på en tidsskala som tilsvarer holmium-parlevetiden, noe som tyder på at PIQ er hovedårsaken til den rapporterte lave virkningsgraden i holmium-dopede fiberforsterkere.

De kombinerte resultatene av dette arbeidet har forbedret korttidsskala-forståelse av PIQ som forekommer i holmium-dopede optiske fibre, og vil bidra til utviklingen av neste generasjons nanosekund-pulsede holmium-dopede fiberforsterkere.

Holmium-doped fiber laser amplifiers can operate at a wavelength of ~ 2.1 µm, which is an “eye-safe” wavelength that can propagate through the atmosphere with low attenuation. This makes amplifiers of this type promising candidates for a variety of laser applications such as free-space optical communication and remote sensing. However, holmium-doped fiber amplifiers have been found in numerous studies to have a lower efficiency than theoretically expected. The cause of this is often attributed to clustering of the holmium-ions and related pair induced quenching (PIQ).

In this work, PIQ in holmium-doped optical fiber amplifiers is investigated. Specifically, dynamic aspects of the quenching process that occurs on sub-microsecond timescales are studied, which are essential for the understanding of pulsed holmium-doped fiber amplifiers that operate in the nanosecond temporal regime.

A numerical rate equation model for holmium-doped fiber amplifiers was developed, which accounts for dynamic aspects of PIQ. This model was developed to accompany the experimental parts of this project, and it was extensively evaluated by comparing simulations with experimental results. Overall, the numerical model offered good agreement between simulations and experiments.

Spectroscopic measurements were done on holmium-doped optical fibers to measure important parameters of the PIQ process. Specifically, time-resolved fluorescence measurements were done to determine the lifetime of doubly-excited holmium-ion pairs. This lifetime was found to be 460 ns, which notably is almost an order of magnitude larger than the 50 ns lifetime established for erbium.

Additionally, measurements of non-saturable absorption were used to determine the amount of ion-pairs in a holmium-doped fiber sample. This method has for decades been the accepted method used for estimating pair content in erbium-doped fibers. However, numerical simulations in this work reveals that because of the significantly longer pair lifetime in holmium, the method is prone to severely underestimating the pair content of holmium-doped fibers.

The practical impact of PIQ was also investigated in a high power holmium-doped fiber amplifier outputing 20 ns pulses with a wavelength of 2107 nm and 100 kHz repetition rate, achieving an average output power up to 5.4 W. The investigation was done by pumping the amplifier with short 20 ns pulses with a wavelength of 1950 nm, and measuring the optical conversion efficiency when the delay between the pump and seed pulses was varied. It was found that the efficiency decreased with increasing delays on a timescale that corresponds to the holmium-pair lifetime, clearly suggesting that PIQ is the root cause of the reported low efficiency in holmium-doped fiber amplifiers.

The combined results of this work have improved the short-timescale understanding of PIQ occuring in holmium-doped optical fibers, which will aid in the development of next-generation nanosecond pulsed holmium-doped fiber amplifiers.