Femtosekundilised laserid toimivad ülitäpsete "optiliste skalpellidena", mängides asendamatut rolli täppistöötluses, meditsiinilises kirurgias, spektraaltuvastuses ja teadusuuringutes. Eriti 2 μm lainepikkuses katavad need laserid mitut molekulaarse vibratsioonienergia taset ja kattuvad erinevate aminoühendite ja bioloogiliste kudede neeldumispiikidega. Seetõttu on nende rakendusnõuded eriti pakilised sellistes valdkondades nagu mitte-metalliliste materjalide töötlemine ja biomeditsiinitehnika.
Nõrkade femtosekundiliste seemnelaserite võimendamine suure võimsusega on aga erakordselt keeruline. Peamine väljakutse seisneb intensiivses mittelineaarses interaktsioonis femtosekundilise impulsi ülikõrge optilise intensiivsuse ja võimendava keskkonna vahel võimendamise ajal. Lisaks võivad tugevad termilised mõjud suure kordussagedusega halvendada kiire kvaliteeti, põhjustada impulsi moonutusi ja isegi kahjustada optilisi komponente. Olemasolevad lahendused kasutavad peamiselt chirped impulss amplification (CPA) tehnoloogiat, mis hõlmab esmalt impulsi ajutist laiendamist (tippvõimsuse vähendamist), laserenergia võimendamist teatud tasemeni ja seejärel selle tagasi kokkusurumist. See süsteem on aga keeruline, kallis ja mahukas. Seetõttu on võime kõrvaldada laiendamise ja tihendamise etapid ning saavutada 2 μm femtosekundiliste impulsside "otsene võimendus", säilitades samal ajal lihtsa, kompaktse struktuuri ja tugeva võimsuse käsitsemise võime, muutunud võimendustehnoloogia valdkonnas uurimistööks.
Femtosekundiline laservõimendi, mis põhineb "diskreetsel" SCF-il
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%) ja peaaegu-difraktsiooni-piiratud kiire kvaliteet (M² < 1,2). Uuring näitab, et diskreetne SCF-i paigutus vähendab märkimisväärselt kumulatiivset mittelineaarset faasinihet, surudes tõhusalt maha kahjulikud mittelineaarsed mõjud ja tagades stabiilse spektraalse ja ajalise arengu võimendamise ajal. See lihtne, kompaktne ja tõhus lähenemine võimaldab võimendada 2 μm ülilühikesi impulsse MHz kuni kHz kordussagedustel, avades uued võimalused suure keskmise/tippvõimsuse saavutamiseks ja pakkudes tohutut potentsiaali kaasaegsete mittelineaarse fotoonika rakenduste jaoks.
Selle Ho:YAG SCF võimendussüsteemi struktuur, nagu on näidatud joonisel 1, koosneb laseri algallikast, eelvõimendi astmest ja võimendi astmest (koosneb kolmest järjestikusest -ühendatud 0,5% legeeritud Ho:YAG SCF-st). Laseri külviallikas annab keskmise võimsuse 0,45 W 2091 nm juures, ajalise impulsi laiusega 360 fs ja kordussagedusega 75,45 MHz. Pärast eelvõimendi astme ja tandem SCF võimsusvõimendi astme läbimist tõuseb keskmine võimsus 56,3 W-ni ja ajaline impulss laieneb 778 fs-ni. Kogu võimendussüsteemi lõpliku väljundimpulsi spektraalsed omadused ja ajaline areng on näidatud joonisel 2.
Joonis 1 Ho:YAG SCF võimendussüsteemi skeem
Joonis 2 Ho:YAG SCF võimendussüsteemi spektraalne ja ajaline areng
Tavapäraste võimendustehnikate korral kannatab femtosekundiliste impulsside otsene võimendamine impulsi moonutamise ja kiire halvenemise tõttu, mis on tingitud tugevatest mittelineaarsetest faasinihetest põhjustatud ise{0}}fokuseerimise efektidest. See piirang piirab hulgi-/kiudvõimendite töötamist ainult pikosekundiliste impulsside vahemikus. See nõuab impulsi venitamisel ja kokkusurumisel põhinevaid piiksutatud impulsi võimendamise (CPA) süsteeme. Kui optilised parameetrilised piiksutatud impulsside võimendussüsteemid (OPCPA) suudavad saavutada millivati{4}-tasemel impulsienergiat kHz kordussagedusega, piiravad termilised efektid keskmise võimsuse ja tõhususe paranemist. Kuigi kiud{6}}põhised CPA-süsteemid pakuvad selgeid eeliseid suure keskmise võimsuse ja kõrge kiire kvaliteedi osas, piiravad nende väljundenergiat/tippvõimsust mittelineaarsed efektid ja optilised kahjustused. Järelikult on olemasolevatel tehnoloogiatel raskusi kolme peamise jõudlusmõõdiku samaaegse optimeerimisega: võimsus, kordussagedus ja impulsi laius. See uuring pakub uuenduslikult välja diskreetse Ho:YAG SCF-seeria konfiguratsiooni. Segmentaalselt katkestades mittelineaarse faasinihke pideva akumulatsioonitee, vähendab see võimendussüsteemi kogu B{10}}integraali. See lähenemine tasakaalustab SCF-i pikkuse ja ise{12}}fookustamise pikkuse, vähendades seeläbi enese{13}}keskendumise riske. Diskreetse ühe-kristallkiudude struktuuri kasutamisega saab see töö edukalt üle{16}}2 μm femtosekundilise laservõimenduse mittelineaarse efekti summutamise ja tõhususe suurendamise pikaajalised väljakutsed. See saavutab laseri jõudluses olulisi läbimurdeid tänu väga tõhusale, struktuurselt lihtsustatud võimendusskeemile.
See töö demonstreerib 2 μm femtosekundiliste laserite otsevõimendustehnikat, pakkudes uudset tehnilist võimalust kompaktsete, tõhusate ja suure jõudlusega 2 μm ülikiirete laserite väljatöötamiseks. Tulevased jõupingutused integreerivad impulsi valiku ja järeltihendustehnikaid, et saavutada suurem üksikimpulsi-energia ja lühemad impulsi laiused.
