Synligt ljus under 20 femtosekunderavstämbar pulserad laserkälla
Nyligen publicerade ett forskarteam från Storbritannien en innovativ studie som meddelade att de framgångsrikt har utvecklat en avstämbar megawattnivå på under 20 femtosekunders avstämbar synlig ljusenergi.pulserad laserkällaDenna pulserade laserkälla, ultrasnabbfiberlaserSystemet kan generera pulser med avstämbara våglängder, ultrakorta varaktigheter, energier så höga som 39 nanojoule och en toppeffekt som överstiger 2 megawatt, vilket öppnar upp helt nya tillämpningsmöjligheter för områden som ultrasnabb spektroskopi, biologisk avbildning och industriell bearbetning.
Den viktigaste höjdpunkten i denna teknik ligger i kombinationen av två banbrytande metoder: "Gain-Managed nonlinear Amplification (GMNA)" och "Resonant Dispersive Wave (RDW) emission". Tidigare krävdes det vanligtvis dyra och komplexa titan-safirlasrar eller optiska parametriska förstärkare för att erhålla sådana högpresterande avstämbara ultrakorta pulser. Dessa enheter var inte bara kostsamma, skrymmande och svåra att underhålla, utan begränsades också av låga repetitionsfrekvenser och avstämningsområden. Den helfiberlösning som utvecklats denna gång förenklar inte bara systemarkitekturen avsevärt utan minskar också kostnader och komplexitet kraftigt. Den möjliggör direkt generering av högeffektspulser på sub20 femtosekunder, avstämbara till 400 till 700 nanometer och däröver, vid en hög repetitionsfrekvens på 4,8 MHz. Forskargruppen uppnådde detta genombrott genom en noggrant utformad systemarkitektur. För det första använde de en helt polarisationsbevarande modlåst ytterbiumfiberoscillator baserad på ickelinjär amplifieringsringspegel (NALM) som frökälla. Denna design säkerställer inte bara systemets långsiktiga stabilitet, utan undviker även nedbrytningsproblemet med fysiskt mättade absorbenter. Efter förförstärkning och pulskomprimering introduceras fröpulserna i GMNA-steget. GMNA använder självfasmodulering och longitudinell asymmetrisk förstärkningsfördelning i optiska fibrer för att uppnå spektral breddning och generera ultrakorta pulser med nästan perfekt linjär chirp, vilka slutligen komprimeras till under 40 femtosekunder genom gitterpar. Under RDW-genereringssteget använde forskarna egendesignade och tillverkade nioresonans-antiresonans-hålkärnfibrer. Denna typ av optisk fiber har extremt låg förlust i pumppulsbandet och det synliga ljusområdet, vilket gör att energin effektivt kan omvandlas från pumpvågen till den dispergerade vågen och undvika störningar orsakade av resonansbandet med hög förlust. Under optimala förhållanden kan systemets dispersionsvågpulsenergi nå 39 nanojoule, den kortaste pulsbredden kan nå 13 femtosekunder, toppeffekten kan vara så hög som 2,2 megawatt och energiomvandlingseffektiviteten kan vara så hög som 13 %. Ännu mer spännande är att genom att justera gastrycket och fiberparametrarna kan systemet enkelt utökas till ultravioletta och infraröda band, vilket uppnår bredbandsinställning från djupt ultraviolett till infrarött.
Denna forskning har inte bara betydande betydelse inom det grundläggande området fotonik, utan öppnar också upp en ny situation för industri- och tillämpningsområdena. Till exempel, inom områden som multifotonmikroskopi, ultrasnabb tidsupplöst spektroskopi, materialbearbetning, precisionsmedicin och ultrasnabb ickelinjär optikforskning, kommer denna kompakta, effektiva och billiga nya typ av ultrasnabba ljuskälla att ge användarna oöverträffade verktyg och flexibilitet. Speciellt i scenarier som kräver höga repetitionsfrekvenser, toppeffekt och ultrakorta pulser är denna teknik utan tvekan mer konkurrenskraftig och har större marknadsföringspotential jämfört med traditionella titan-safir- eller optiska parametriska förstärkningssystem.
I framtiden planerar forskargruppen att ytterligare optimera systemet, till exempel genom att integrera den nuvarande arkitekturen som innehåller flera fria optiska komponenter i optiska fibrer, eller till och med använda en enda Mamyshev-oscillator för att ersätta den nuvarande oscillator- och förstärkarkombinationen, för att uppnå miniatyrisering och integration av systemet. Genom att anpassa sig till olika typer av antiresonansfibrer, introducera Ramanaktiva gaser och frekvensfördubblingsmoduler förväntas detta system dessutom utökas till ett bredare band och tillhandahålla helfiberbaserade, bredbandiga, ultrasnabba laserlösningar för flera fält som ultraviolett, synligt ljus och infrarött.
Figur 1. Schematiskt diagram över inställningen av den pulserade lasern
Publiceringstid: 28 maj 2025