Millifocal less-cycle laser sources in the short-wavelength infrared can drive two-color plasmas to produce terahertz pulses at higher efficiencies, as well as optically aberrated mid-infrared femtosecond pulses >5 μm w kryształach nietlenkowych. System lasera światłowodowego domieszkowanego tulem może wytwarzać setki femtosekundowych impulsów o środkowej długości fali bliskiej 2 μm. Grupa Limpert w Jenie w Niemczech dokonała w 2022 roku spójnej syntezy sygnałów wyjściowych czterech wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych tulem [1] i ostatecznie uzyskała impulsy o wartości 85 fs o energii impulsu 1,65 mJ i częstotliwości powtarzania 100 kHz, co przebija się przez ograniczenia pojedynczego światłowodu na energię pojedynczego impulsu i moc średnią. Urządzenie pokazano na rys. 1.
Rysunek 1 Schemat ideowy urządzenia do syntezy spójnej z czterema włóknami domieszkowanymi tulem.
Aby jeszcze bardziej skrócić szerokość impulsu, grupa Limperta w 2023 roku wykorzysta powyższe urządzenie jako front-end, a do kompresji zastosuje światłowód pusty w środku. Budowę urządzenia sprężającego pokazano na rys. 2, składającego się z dwóch komór próżniowych odpowiednio na wejściu i wyjściu oraz komory wysokiego napięcia do nieliniowego poszerzania, która jest wypełniona gazowym argonem. Aby ograniczyć absorpcję pary wodnej, w obu komorach próżniowych utrzymywane jest ciśnienie powietrza<1 mabr. The bottom side of the high-voltage chamber is equipped with water cooling to dissipate the heat, avoiding harmful thermal effects at high power. The hollow core fiber is placed on a long straight V-groove to avoid bending loss. The core diameter of the hollow core fiber is 500 μm, the length is 1.05 m. The internal nonlinear gas is selected as argon, and the theoretical maximum passing efficiency is 89.5%.
Rysunek 2 Schemat ideowy urządzenia do kompresji włókien pustych w rdzeniu
Stopniowo zwiększając ciśnienie gazu wewnątrz wnęki, odpowiednie wyniki wyjściowe pokazano na rysunku 3. Gdy ciśnienie gazu jest niższe niż 3 bary, moc wyjściowa wynosi około 139 W, a jakość wiązki pozostaje dobra (rys. 3a). Gdy ciśnienie powietrza jest wyższe niż 3 bary, moc wyjściowa zaczyna spadać, a jakość wiązki znacznie się pogarsza, a plamka odbiega od wiązki Gaussa przy ciśnieniu 4,25 bara, jak pokazano na rys. 3b. Rysunek 3c analizuje szerokości widmowe sygnałów wyjściowych przy różnych ciśnieniach powietrza. Gdy ciśnienie powietrza przekroczy 3 bary, widma nie rozszerzają się już znacząco wraz ze wzrostem ciśnienia powietrza, a odpowiadające im impulsy graniczne transformacji pozostają w zasadzie niezmienione. Autorzy uwzględnili powyższe czynniki i ostatecznie do kolejnych eksperymentów wybrali ciśnienie powietrza wynoszące 3 bary.
Rys. 3 Wyniki wyjściowe różnych ciśnień powietrza we włóknie pustym
Widma i krzywe autokorelacji zmierzone przy ciśnieniu powietrza 3 bary pokazano na ryc. 4, przy czym widma obejmują 1,2 μm-2,4 μm. Po zastosowaniu pary ćwierkających luster w celu kompensacji dyspersji szerokość impulsu zmniejsza się do 10,2 fs, średnia moc wynosi 132 W, a główna energia szczytowa impulsów stanowi 66 procent energii energii, której moc szczytowa sięga aż 80 GW. Ryc. 5 przedstawia wyniki testu stabilności, a względne natężenie hałasu na wyjściu przednim wynosi 0,75 procent. który koncentruje się w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 50 kHz. Po nieliniowej kompresji impulsów główny udział hałasu występuje w zakresie niskich częstotliwości, tak niskich jak 2 kHz, i który pochodzi z drgań mechanicznych układu chłodzenia wodą i pompy próżniowej, co dowodzi, że podczas procesu kompresji nie dochodzi do wprowadzenia dodatkowego hałasu, zapewniając stabilność źródła światła.
Rys. 4 Pomiary spektralne i autokorelacyjne przy ciśnieniu powietrza 3 bary
Rys. 5 Badanie stabilności krótkoterminowej
W tym artykule wysokoenergetyczny impuls femtosekundowy o środkowej długości fali 1,9 μm, szerokości 10,2 fs, szerokości impulsu mniejszej niż dwa cykle, energii impulsu 1,3 mJ i mocy szczytowej 80 GW uzyskuje się przez przy użyciu kompresji światłowodu pustego w rdzeniu. Średnia moc tego źródła światła wynosi 132 W, co stanowi najwyższy poziom mocy impulsów o mniejszej liczbie cykli pracujących w obszarze podczerwieni o krótkich falach, a to wysokoenergetyczne, napędzane dużą mocą źródło światła z pewnością energicznie To wysokoenergetyczne źródło światła o dużej mocy będzie energicznie promować rozwój technologii laserowej w paśmie średniej podczerwieni.
