Lasery femtosekundowe pełnią funkcję wysoce precyzyjnych „skalpeli optycznych”, odgrywając niezastąpioną rolę w precyzyjnej obróbce skrawaniem, chirurgii medycznej, detekcji spektralnej i badaniach naukowych. Szczególnie w paśmie długości fali 2 μm lasery te pokrywają wiele poziomów energii wibracji molekularnych i pokrywają się z pikami absorpcji różnych związków aminowych i tkanek biologicznych. W związku z tym wymagania dotyczące ich zastosowań są szczególnie pilne w takich dziedzinach, jak-obróbka materiałów niemetalowych i inżynieria biomedyczna.
Jednakże wzmocnienie słabych laserów femtosekundowych do dużej mocy jest wyjątkowo trudne. Kluczowe wyzwanie polega na intensywnych nieliniowych interakcjach pomiędzy niezwykle wysoką intensywnością optyczną impulsu femtosekundowego a ośrodkiem wzmacniającym podczas wzmacniania. Ponadto poważne efekty termiczne przy dużej częstotliwości powtarzania mogą pogorszyć jakość wiązki, spowodować zniekształcenie impulsu, a nawet uszkodzić elementy optyczne. Istniejące rozwiązania wykorzystują przede wszystkim technologię wzmacniania impulsów chirped (CPA), która polega w pierwszej kolejności na czasowym poszerzeniu impulsu (zmniejszeniu mocy szczytowej), wzmocnieniu energii lasera do określonego poziomu, a następnie jej ponownej kompresji. Jednakże system ten jest złożony, kosztowny i nieporęczny. Dlatego też możliwość wyeliminowania etapów rozszerzania i kompresji oraz uzyskania „bezpośredniego wzmocnienia” impulsów femtosekundowych o długości 2 μm przy jednoczesnym zachowaniu prostej, zwartej struktury i dużych możliwości przenoszenia mocy stała się gorącym punktem badań w dziedzinie technologii wzmacniania.
Wzmacniacz lasera femtosekundowego oparty na „dyskretnym” SCF
Recently, researchers including Wang Jianlei and Zhao Yongguang from the State Key Laboratory of Crystal Materials at Shandong University proposed an innovative B-integral (nonlinear phase shift) management strategy. By employing a discrete single-crystal fiber (SCF) configuration in the power amplification stage, they successfully achieved direct amplification of 2 μm femtosecond pulses at high repetition rates. The system achieved femtosecond laser output with an average power exceeding 56 W at a 75.45 MHz repetition rate, demonstrating exceptionally high optical-to-optical extraction efficiency (>55%) i prawie-dyfrakcję-ograniczoną jakość wiązki (M² < 1,2). Badanie pokazuje, że dyskretny układ SCF znacząco zmniejsza skumulowane nieliniowe przesunięcie fazowe, skutecznie tłumiąc szkodliwe efekty nieliniowe i zapewniając stabilną ewolucję widmową i czasową podczas wzmacniania. To proste, kompaktowe i wydajne podejście umożliwia wzmocnienie ultrakrótkich impulsów o długości 2 μm przy częstotliwości powtarzania od MHz do kHz, otwierając nowe możliwości osiągnięcia wysokiej mocy średniej/szczytowej i wykazując ogromny potencjał w nowoczesnych zastosowaniach fotoniki nieliniowej.
Struktura tego układu wzmacniającego Ho:YAG SCF, jak pokazano na rysunku 1, obejmuje źródło lasera, stopień przedwzmacniacza i stopień wzmacniacza (składający się z trzech-połączonych szeregowo ogniw Ho:YAG SCF domieszkowanych w 0,5%. Źródło lasera zapewnia średnią moc 0,45 W przy 2091 nm, czasową szerokość impulsu 360 fs i częstotliwość powtarzania 75,45 MHz. Po przejściu przez stopień przedwzmacniacza i stopień tandemowej końcówki mocy SCF moc średnia wzrasta do 56,3 W, a impuls czasowy rozszerza się do 778 fs. Charakterystykę widmową i ewolucję w czasie końcowego impulsu wyjściowego z całego układu wzmacniającego pokazano na rysunku 2.
Rysunek 1 Schemat systemu amplifikacji Ho:YAG SCF
Rysunek 2 Ewolucja widmowa i czasowa systemu amplifikacji Ho:YAG SCF
W konwencjonalnych technikach wzmacniania bezpośrednie wzmacnianie impulsów femtosekundowych podlega zniekształceniom impulsów i degradacji wiązki z powodu efektów samo-ogniskowania wyzwalanych przez silne nieliniowe przesunięcia fazowe. To ograniczenie ogranicza wzmacniacze masowe/światłowodowe do działania wyłącznie w zakresie impulsów pikosekundowych. Wymaga to systemów wzmacniania impulsów ćwierkających (CPA) opartych na rozciąganiu i kompresji impulsów. Chociaż systemy optycznego parametrycznego wzmacniania impulsów chirped (OPCPA) mogą osiągnąć energię impulsu na poziomie miliwatów- przy częstotliwości powtarzania kHz, efekty termiczne ograniczają poprawę średniej mocy i wydajności. Chociaż systemy CPA oparte-na światłowodach oferują wyraźne zalety w postaci wysokiej średniej mocy i wysokiej jakości wiązki, ich energia wyjściowa/moc szczytowa jest ograniczona przez efekty nieliniowe i uszkodzenia optyczne. W rezultacie istniejące technologie mają trudności z jednoczesną optymalizacją trzech kluczowych wskaźników wydajności: mocy, częstotliwości powtarzania i szerokości impulsu. W tym badaniu w innowacyjny sposób zaproponowano dyskretną konfigurację serii Ho:YAG SCF. Przerywając segmentowo ciągłą ścieżkę akumulacji nieliniowego przesunięcia fazowego, zmniejsza się całkowita całka B- systemu wzmacniającego. Podejście to równoważy długość SCF z długością-samoogniskowania, ograniczając w ten sposób ryzyko-samoogniskowania. Dzięki zastosowaniu dyskretnej struktury pojedynczego-włókna krystalicznego prace te z powodzeniem przezwyciężają-od dawna stojące wyzwania związane z tłumieniem efektów nieliniowych i zwiększaniem wydajności w przypadku wzmocnienia lasera femtosekundowego o długości 2 μm. Osiąga znaczący przełom w wydajności lasera dzięki wysoce wydajnemu, strukturalnie uproszczonemu schematowi wzmocnienia.
W tej pracy zaprezentowano technikę bezpośredniego wzmacniania laserów femtosekundowych 2 μm, zapewniając nowatorską ścieżkę techniczną do opracowywania kompaktowych, wydajnych i-wysokich ultraszybkich laserów 2 μm. Przyszłe wysiłki obejmą integrację wyboru impulsu i technik-kompresji końcowej, aby uzyskać wyższą energię pojedynczego-impulsu i krótszą szerokość impulsu.
