Femtoseconde-lasers functioneren als zeer nauwkeurige ‘optische scalpels’ en spelen een onvervangbare rol bij precisiebewerking, medische chirurgie, spectrale detectie en wetenschappelijk onderzoek. Met name in de golflengteband van 2 μm bestrijken deze lasers meerdere moleculaire vibratie-energieniveaus en overlappen ze met absorptiepieken van verschillende aminoverbindingen en biologische weefsels. Derhalve zijn de toepassingseisen ervan vooral dringend op terreinen als de verwerking van niet-metalen materialen en biomedische technologie.
Het versterken van zwakke femtoseconde zaadlasers tot een hoog vermogen is echter uitzonderlijk moeilijk. De belangrijkste uitdaging ligt in de intense niet-lineaire interacties tussen de extreem hoge optische intensiteit van de femtosecondepuls en het versterkende medium tijdens versterking. Bovendien kunnen ernstige thermische effecten bij hoge herhalingsfrequenties de kwaliteit van de straal verslechteren, pulsvervorming veroorzaken en zelfs optische componenten beschadigen. Bestaande oplossingen maken hoofdzakelijk gebruik van chirped pulse amplification (CPA)-technologie, waarbij eerst de puls tijdelijk wordt verbreed (het piekvermogen wordt verminderd), de laserenergie tot een bepaald niveau wordt versterkt en vervolgens weer wordt gecomprimeerd. Dit systeem is echter complex, duur en omvangrijk. Daarom is het vermogen om de verbredings- en compressiestappen te elimineren en "directe versterking" van 2 μm femtosecondepulsen te bereiken met behoud van een eenvoudige, compacte structuur en sterke belastbaarheid een onderzoekshotspot op het gebied van versterkingstechnologie geworden.
Femtoseconde laserversterker gebaseerd op "discrete" 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%) en bijna-diffractie-beperkte bundelkwaliteit (M² < 1,2). De studie toont aan dat de discrete SCF-indeling de cumulatieve niet-lineaire faseverschuiving aanzienlijk vermindert, waardoor schadelijke niet-lineaire effecten effectief worden onderdrukt en een stabiele spectrale en temporele evolutie tijdens amplificatie wordt gegarandeerd. Deze eenvoudige, compacte en efficiënte aanpak maakt versterking van ultrakorte pulsen van 2 μm met MHz tot kHz herhalingsfrequenties mogelijk, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor het bereiken van een hoog gemiddeld/piekvermogen en een enorm potentieel wordt getoond voor moderne niet-lineaire fotonica-toepassingen.
De structuur van dit Ho:YAG SCF-versterkingssysteem, zoals weergegeven in figuur 1, omvat een laserzaadbron, een voorversterkertrap en een versterkertrap (bestaande uit drie in serie-verbonden 0,5% gedoteerde Ho:YAG SCF's). De laserzaadbron levert een gemiddeld vermogen van 0,45 W bij 2091 nm, met een tijdelijke pulsbreedte van 360 fs en een herhalingssnelheid van 75,45 MHz. Na het passeren van de voorversterkertrap en de tandem-SCF-vermogensversterkertrap neemt het gemiddelde vermogen toe tot 56,3 W, en verbreedt de temporele puls zich tot 778 fs. De spectrale kenmerken en temporele evolutie van de uiteindelijke uitgangspuls van het gehele versterkingssysteem worden getoond in Figuur 2.
Figuur 1 Schematische voorstelling van het Ho:YAG SCF-amplificatiesysteem
Figuur 2 Spectrale en temporele evolutie van het Ho:YAG SCF-amplificatiesysteem
Bij conventionele versterkingstechnieken heeft de directe versterking van femtosecondepulsen te lijden onder pulsvervorming en straalverslechtering als gevolg van zelffocusserende effecten die worden veroorzaakt door sterke niet-lineaire faseverschuivingen. Deze beperking beperkt bulk-/vezelversterkers tot het werken binnen het picosecondepulsbereik. Hiervoor zijn systemen voor chirped pulse amplification (CPA) nodig, gebaseerd op pulsuitrekking en compressie. Terwijl systemen met optische parametrische chirped pulse amplification (OPCPA) pulsenergie op milliwatt-niveau kunnen bereiken bij kHz-herhalingsfrequenties, beperken thermische effecten verbeteringen in het gemiddelde vermogen en de efficiëntie. Hoewel op glasvezel-gebaseerde CPA-systemen duidelijke voordelen bieden wat betreft hoog gemiddeld vermogen en hoge bundelkwaliteit, wordt hun uitgangsenergie/piekvermogen beperkt door niet-lineaire effecten en optische schade. Als gevolg daarvan hebben bestaande technologieën moeite om tegelijkertijd de drie belangrijkste prestatiemaatstaven te optimaliseren: vermogen, herhalingssnelheid en pulsbreedte. Deze studie stelt op innovatieve wijze een discrete Ho:YAG SCF-serieconfiguratie voor. Door het continue accumulatiepad van niet-lineaire faseverschuiving segmentaal te onderbreken, wordt de totale B-integraal van het versterkingssysteem verminderd. Bij deze benadering wordt de SCF-lengte in evenwicht gebracht met de lengte van de zelffocus-, waardoor de risico's van zelffocus- worden beperkt. Door gebruik te maken van een discrete enkele-kristalvezelstructuur, overwint dit werk met succes de al lang bestaande uitdagingen van niet-lineaire effectonderdrukking en efficiëntieverbetering bij 2 μm femtoseconde laserversterking. Het bereikt aanzienlijke doorbraken in laserprestaties via een zeer efficiënt, structureel vereenvoudigd versterkingsschema.
Dit werk demonstreert een directe versterkingstechniek voor femtoseconde-lasers van 2 μm, en biedt een nieuw technisch traject voor de ontwikkeling van compacte, efficiënte en hoogwaardige 2 μm ultrasnelle lasers. Toekomstige inspanningen zullen pulsselectie en post{4}}compressietechnieken integreren om hogere enkelvoudige-pulsenergie en kortere pulsbreedtes na te streven.
