Światło widzialne o długości poniżej 20 femtosekundregulowane źródło lasera impulsowego
Niedawno zespół badawczy z Wielkiej Brytanii opublikował innowacyjne badanie, w którym ogłosił, że udało mu się opracować przestrajalny generator światła widzialnego o mocy poniżej 20 femtosekund i mocy rzędu megawatów.źródło lasera impulsowegoTo źródło lasera impulsowego, ultraszybkielaser światłowodowySystem jest zdolny do generowania impulsów o regulowanych długościach fal, bardzo krótkim czasie trwania, energii sięgającej 39 nanodżuli i mocy szczytowej przekraczającej 2 megawaty, otwierając zupełnie nowe możliwości zastosowań w takich dziedzinach jak ultrakrótka spektroskopia, obrazowanie biologiczne i przetwarzanie przemysłowe.
Istotą tej technologii jest połączenie dwóch najnowocześniejszych metod: „wzmocnienia nieliniowego z zarządzaniem wzmocnieniem (GMNA)” i „emisji fali rezonansowej dyspersyjnej (RDW)”. W przeszłości, aby uzyskać tak wysokowydajne, przestrajalne, ultrakrótkie impulsy, zazwyczaj wymagane były drogie i złożone lasery tytanowo-szafirowe lub optyczne wzmacniacze parametryczne. Urządzenia te były nie tylko kosztowne, nieporęczne i trudne w utrzymaniu, ale także ograniczone niską częstotliwością repetycji i zakresami strojenia. Opracowane tym razem rozwiązanie całkowicie światłowodowe nie tylko znacznie upraszcza architekturę systemu, ale także znacznie redukuje koszty i złożoność. Umożliwia ono bezpośrednie generowanie impulsów o wysokiej mocy poniżej 20 femtosekund, przestrajalnych w zakresie od 400 do 700 nanometrów i więcej, przy wysokiej częstotliwości repetycji 4,8 MHz. Zespół badawczy osiągnął ten przełom dzięki precyzyjnie zaprojektowanej architekturze systemu. Po pierwsze, wykorzystali oni w pełni zachowujący polaryzację, synchronizowany modowo oscylator światłowodowy z iterbu, oparty na nieliniowym pierścieniowym zwierciadle wzmacniającym (NALM) jako źródło sygnału. Taka konstrukcja nie tylko zapewnia długoterminową stabilność systemu, ale także eliminuje problem degradacji fizycznych absorberów nasyconych. Po wstępnym wzmocnieniu i kompresji impulsów, impulsy zalążkowe są wprowadzane do etapu GMNA. GMNA wykorzystuje samomodulację fazy i podłużny asymetryczny rozkład wzmocnienia w światłowodach, aby uzyskać poszerzenie widma i generować ultrakrótkie impulsy o niemal idealnie liniowym ćwierkaniu, które ostatecznie są kompresowane do poniżej 40 femtosekund przez pary kratowe. Podczas etapu generacji RDW, badacze wykorzystali samodzielnie zaprojektowane i wyprodukowane, dziewięciorezonatorowe włókna antyrezonansowe z pustym rdzeniem. Ten rodzaj światłowodu charakteryzuje się wyjątkowo niskimi stratami w paśmie impulsów pompujących i obszarze światła widzialnego, co umożliwia wydajną konwersję energii z fali pompującej do rozproszonej i unika zakłóceń powodowanych przez pasmo rezonansowe o wysokich stratach. W optymalnych warunkach energia impulsu fali dyspersyjnej generowanego przez system może osiągnąć 39 nanodżuli, najkrótszy impuls o szerokości 13 femtosekund, moc szczytowa może sięgać 2,2 megawata, a sprawność konwersji energii może sięgać nawet 13%. Co więcej, dzięki regulacji ciśnienia gazu i parametrów światłowodu, system można łatwo rozszerzyć na pasma ultrafioletowe i podczerwone, uzyskując szerokopasmowe dostrojenie od głębokiego ultrafioletu do podczerwieni.
Badania te mają nie tylko istotne znaczenie w fundamentalnej dziedzinie fotoniki, ale także otwierają nowe perspektywy dla przemysłu i zastosowań. Na przykład w takich dziedzinach jak obrazowanie mikroskopowe wielofotonowe, ultraszybka spektroskopia czasowo-rozdzielcza, obróbka materiałów, medycyna precyzyjna i badania w zakresie ultraszybkiej optyki nieliniowej, ten kompaktowy, wydajny i niedrogi, nowy typ ultraszybkiego źródła światła zapewni użytkownikom niespotykane dotąd narzędzia i elastyczność. Zwłaszcza w scenariuszach wymagających wysokiej częstotliwości repetycji, mocy szczytowej i ultrakrótkich impulsów, technologia ta jest niewątpliwie bardziej konkurencyjna i ma większy potencjał promocyjny w porównaniu z tradycyjnymi systemami tytanowo-szafirowymi lub optycznymi systemami wzmacniającymi parametry.
W przyszłości zespół badawczy planuje dalszą optymalizację systemu, na przykład poprzez integrację obecnej architektury, która zawiera wiele komponentów optycznych w wolnej przestrzeni, ze światłowodami, a nawet wykorzystanie pojedynczego oscylatora Mamyszewa zamiast obecnego układu oscylatora i wzmacniacza, w celu miniaturyzacji i integracji systemu. Ponadto, dzięki dostosowaniu do różnych typów światłowodów antyrezonansowych, wprowadzeniu aktywnych gazów Ramana i modułów podwajających częstotliwość, system ten ma zostać rozszerzony na szersze pasmo, zapewniając w pełni światłowodowe, szerokopasmowe, ultraszybkie rozwiązania laserowe dla wielu dziedzin, takich jak ultrafiolet, światło widzialne i podczerwień.
Rysunek 1. Schematyczny diagram strojenia lasera impulsowego
Czas publikacji: 28 maja 2025 r.