Watt-level ultrafast 1.75 {\mu}m laser system based on thulium-doped core and terbium-doped cladding fluoride fibers

Resumen Técnico: Sistema Láser Ultrafásico de 1.75 µm a Nivel de Vatio Basado en Fibra de Fluoruro Tm:Tb

1. Problema y Contexto

Los sistemas láser de fibra en la región del infrarrojo cercano de onda corta (SWIR, 1.0–2.0 µm) son esenciales para aplicaciones avanzadas como la microscopía de multiphotón (MPM), comunicaciones y espectroscopía óptica. Específicamente, para la excitación de tres fotones de proteínas fluorescentes verdes y rojas, la banda de 1.7 µm es preferible a la de 1.3 µm debido a una menor absorción y dispersión en tejidos biológicos.

Sin embargo, existen desafíos significativos en el desarrollo de fuentes láser en esta longitud de onda:

• Emisión no deseada: Las fibras dopadas con Tulio (Tm) suelen generar Amplificación Espontánea Emitida (ASE) en longitudes de onda largas (≥1.8 µm), lo que puede dañar muestras biológicas en imágenes in vivo.
• Limitaciones de las soluciones actuales: Los métodos existentes para suprimir estas longitudes de onda (como fibras de cristal fotónico o filtrado por curvatura mecánica) presentan desventajas: requieren procesos de fabricación complejos, generan pulsos demasiado largos (picosegundos) o producen "pedestales" de energía que distorsionan la fase del pulso, obligando al uso de componentes de espacio libre voluminosos.
• Necesidad: Se requiere un sistema compacto, simple y capaz de entregar potencia promedio de nivel de vatio con pulsos ultracortos (femtosegundos) y alta calidad temporal para MPM.

2. Metodología

Los autores desarrollaron un sistema de amplificación de pulsos chirpeados (CPA) totalmente integrado en fibra, utilizando una arquitectura de múltiples etapas basada en fibras de fluoruro ZBLAN dopadas con Tulio en el núcleo y Terbio en el revestimiento (Tm:Tb:ZBLAN).

• Generación de la semilla: Se parte de un láser oscilador de fibra dopada con Erbio (1560 nm). Los pulsos se amplifican y luego se desplazan a 1.75 µm mediante dispersión Raman estimulada en una fibra de sílice, generando un solitón.
• Estiramiento del pulso: El pulso de 1.75 µm se estira a ~112 ps utilizando un Rejilla de Bragg en Fibra Chirpeada (CFBG) sintonizable. Esto permite un control fino de la dispersión de segundo orden (GDD) y tercer orden (TOD).
• Amplificación (Núcleo de la innovación):
  • Se utiliza una fibra ZBLAN donde el núcleo está dopado con Tm (ganancia en 1.75 µm) y el revestimiento con Tb.
  • Mecanismo de supresión: Los iones de Terbio (Tb) tienen una absorción centrada en ~1.9 µm. Actúan como un "sumidero de energía" intrínseco, absorbiendo la ASE de longitudes de onda largas emitida por el Tm, suprimiendo así la radiación dañina sin necesidad de filtros externos complejos o curvaturas mecánicas.
  • El sistema consta de un preamplificador de dos etapas y un amplificador de potencia, todos utilizando fibra Tm:Tb:ZBLAN.
• Compresión: Los pulsos amplificados se comprimen utilizando un par de rejillas de Treacy en configuración de doble paso, complementado por el ajuste fino del CFBG para compensar la dispersión acumulada.

3. Contribuciones Clave

• Codopado Iónico Integrado: Se presenta por primera vez un sistema totalmente en fibra (Tm:Tb:ZBLAN) que utiliza el codopado de Terbio en el revestimiento para suprimir intrínsecamente la ASE de longitudes de onda largas, eliminando la necesidad de componentes de filtrado de espacio libre.
• Gestión de Dispersión Avanzada: La combinación de un CFBG sintonizable con un compresor de rejillas permite una compensación precisa de la dispersión, logrando pulsos libres de pedestales y con alta calidad temporal.
• Comparativa de Geometrías de Fibra: Se investigó y comparó el rendimiento de dos configuraciones de fibra de ganancia:
  • Una fibra larga y de núcleo pequeño (4 m, 7.6 µm).
  • Una fibra corta y de núcleo grande (1.6 m, 8.5 µm).
  • Se demostró que la fibra corta ofrece una mejor relación señal-ruido y una supresión más efectiva de la ASE, a pesar de que la fibra larga produce un espectro ampliado más ancho (que resulta ser incoherente y no útil para la compresión).

4. Resultados

• Potencia y Energía: El sistema logró generar una potencia promedio de ~1 W a una tasa de repetición de 4 MHz.
  • Con la fibra de 4 m: Energía por pulso de ~250 nJ.
  • Con la fibra de 1.6 m: Energía por pulso de ~175 nJ.
• Duración del Pulso: Se lograron pulsos comprimidos de alta calidad con una duración de 222 fs (cercano al límite de transformación de ~210 fs).
• Calidad Temporal: Las mediciones SHG-FROG mostraron perfiles temporales limpios, sin pedestales significativos ni distorsiones de fase no lineales. La relación de contraste temporal es excelente.
• Supresión de Ruido: La fibra de 1.6 m logró una diferencia de potencia de casi 20 dB entre el pico a 1.75 µm y la región de ASE (≥1.8 µm), superando a la configuración de 4 m (que solo logró ~5 dB).
• Eficiencia: Se alcanzaron eficiencias de pendiente de hasta 15.6% en la configuración de fibra corta.

5. Significado e Impacto

Este trabajo representa un avance significativo en la fotónica de fibra para bioimagen:

• Viabilidad para MPM: Proporciona una fuente láser compacta, robusta y de bajo mantenimiento capaz de entregar la potencia y la duración de pulso necesarias para la microscopía de multiphotón de tres fotones, especialmente para proteínas fluorescentes rojas.
• Simplicidad y Escalabilidad: Al eliminar componentes de espacio libre para el filtrado de longitud de onda y utilizar una arquitectura totalmente en fibra, el sistema es más fácil de integrar en microscopios y más robusto para aplicaciones en laboratorio.
• Innovación en Materiales: Valida el uso de fibras ZBLAN con codopado Tm:Tb como una solución superior para el control espectral en la región de 1.75 µm, abriendo camino para futuros sistemas láser de alta potencia en el infrarrojo.

En conclusión, los autores han demostrado exitosamente el primer amplificador totalmente en fibra Tm:Tb:ZBLAN capaz de generar pulsos ultrafastos de nivel de vatio a 1.75 µm con calidad temporal superior, resolviendo problemas históricos de supresión de ASE y gestión de dispersión en esta banda espectral.