Estudo comparativo de parâmetros de desempenho na geração de pente de frequência com lasers à fibra e lasers semicondutores

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dc.contributor.advisorSouza, Eunezio Antonio de
dc.contributor.authorAraújo, Maria Cecília Schineider
dc.date.accessioned2024-09-09T21:42:36Z
dc.date.available2024-09-09T21:42:36Z
dc.date.issued2024-08-01
dc.description.abstractPentes de frequência são essenciais para garantir precisão e desempenho em várias áreas, como sensoriamento e imagem. Entre os tipos disponíveis, destacam-se o laser de fibra dopada com érbio (EDFL) pela sua flexibilidade e geração de pulsos de femtosegundos, e o laser semicondutor, que é compacto (em torno de mm³) e oferece alta taxa de repetição (GHz), permitindo medidas abaixo de µs e contribuindo para reduzir tamanho, peso e consumo de energia (size, weight and power – SWaP), que é particularmente importante em aplicações móveis e em campo. Nessa tese, apresentamos a construção de duas cavidades EDFL com grafeno para atingir o regime mode-locking. A primeira cavidade com 16,7 m e taxa de repetição frep ≈ 12 MHz apresentou pulsos de 660 fs, enviados para um sistema de amplificação que aumentou a potência de 386 µW para 106,6 mW. Esse sinal amplificado tinha o objetivo de gerar o espectro supercontínuo, atingindo largura de 1150 nm e potência média de 28,5 mW, além de apresentar um pulso de 52 fs. Pulsos estreitos permitem serem usados em espectroscopia ou medição temporal com muito mais precisão. Também foi realizado o batimento entre uma componente da frequência fundamental da cavidade com um laser CW, o que gerou a frequência fopt com 13,7 dB de SNR. A segunda cavidade exibiu frequência frep = 37 MHz e frequência de batimento fopt com SNR = 20,8 dB, caracterizando crescimento de 50% e garantindo melhora na resolução das componentes do pente de frequência. Como análise comparativa, uma montagem integrada de laser sintonizável (ITLA) de semicondutor com cavidade de ~7 mm (frep = 20 GHz) teve o grafeno acrescentado na sua estrutura. A intensidade do sinal sobre o grafeno foi um parâmetro crucial na análise das configurações testadas, alcançando 770 W/cm² na cavidade de tamanho original, 630 kW/cm² com um sistema telescópio, e 2 GW/cm² na integração com sistema a fibra e uso de filtros etalons. Embora tenha atingido intensidade suficiente para saturar o grafeno, essas configurações não estabeleceram o regime mode-locking, sendo uma grande oportunidade de pesquisa que deve ser explorado, já que a técnica de pente de frequência em semicondutores possibilita revolucionar tanto com a alta precisão quanto pelo tempo de aquisição de medidas baixo.
dc.description.sponsorshipCNPQ - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.description.sponsorshipIPM - Instituto Presbiteriano Mackenzie
dc.description.sponsorshipMackPesquisa - Fundo Mackenzie de Pesquisa
dc.identifier.urihttps://dspace.mackenzie.br/handle/10899/39328
dc.language.isopt_BR
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Presbiteriana Mackenzie
dc.subjectpente de frequência óptica
dc.subjectmode-locking
dc.subjectlaser semicondutor
dc.subjectlaser a fibra
dc.subjectetalon
dc.titleEstudo comparativo de parâmetros de desempenho na geração de pente de frequência com lasers à fibra e lasers semicondutores
dc.typeTese
local.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9756214150140645
local.contributor.advisorOrcidhttps://orcid.org/0000-0002-3867-7186
local.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/6789262230736216
local.contributor.board1Carvalho, Mauricio Moderno de
local.contributor.board1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2256727812302399
local.contributor.board1Orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8968-1145
local.contributor.board2Cruz, Flavio Caldas da
local.contributor.board2Latteshttp://lattes.cnpq.br/5623828846627003
local.contributor.board2Orcidhttps://orcid.org/0000-0003-3995-7910
local.contributor.board3Rosa, Henrique Guimarães
local.contributor.board3Latteshttp://lattes.cnpq.br/7713098655067147
local.contributor.board4Maldonado, Edison Puig
local.contributor.board4Latteshttp://lattes.cnpq.br/9157345700228959
local.contributor.board4Orcidhttps://orcid.org/0000-0002-9462-8151
local.contributor.coadvisorSaito, Lúcia Akemi Miyazato
local.contributor.coadvisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0915583034741895
local.contributor.coadvisorOrcidhttps://orcid.org/0000-0001-7157-1191
local.description.abstractenFrequency combs are essential for ensuring precision and performance across various fields such as sensing and imaging. Among the available types, erbium-doped fiber lasers (EDFL) stand out for their flexibility and generation of femtosecond pulses, while semiconductor lasers are noted for their compact size (around mm³) and high repetition rate (GHz), allowing for measurements below µs and contributing to reduced size, weight, and power (SWaP), which is particularly important in mobile and field applications. In this thesis, we present the construction of two EDFL cavities with graphene to achieve mode-locking. The first cavity, with a length of 16.7 m and a repetition rate of frep ≈ 12 MHz, produced pulses of 660 fs, which were sent to an amplification system that increased the power from 386 µW to 106.6 mW. This amplified signal aimed to generate a supercontinuum spectrum with a bandwidth of 1150 nm and an average power of 28.5 mW, along with a pulse duration of 52 fs. Narrow pulses enable much more precise spectroscopy or temporal measurement. A beat frequency was also measured between a fundamental frequency component of the cavity and a CW laser, producing an optical frequency fopt with SNR of 13.7 dB. The second cavity had a repetition rate of frep = 37 MHz and a beat frequency fopt with SNR = 20.8 dB, demonstrating a 50% increase and improving the resolution of the frequency comb components. For comparative analysis, an integrated tunable laser assembly (ITLA) with a semiconductor laser and a ~7 mm cavity (frep = 20 GHz) had graphene added to its structure. The intensity of the signal on the graphene was a crucial parameter in analyzing the tested configurations, reaching 770 W/cm² in the original length cavity, 630 kW/cm² with a telescope system, and 2 GW/cm² in the integration with a fiber system and etalon filters. Although it achieved sufficient intensity to saturate the graphene, these configurations did not establish mode-locking, presenting a significant research opportunity to explore, as the frequency comb technique in semiconductors has the potential to revolutionize both high precision and fast measurement acquisition times.
local.description.sponsorshipOtherEmpresa/Indústria: Idea! Electronic Systems
local.keywordsoptical frequency comb
local.keywordsmode-locking
local.keywordssemiconductor laser
local.keywordsfiber laser
local.keywordsetalon
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentEscola de Engenharia Mackenzie (EE)
local.publisher.initialsUPM
local.publisher.programEngenharia Elétrica e Computação
local.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
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