Preboj! Najmočnejši 3 μm femtosekundni vlakenski laser srednjega infrardečega spektra na svetu

Preboj! Najmočnejši srednji infrardeči sevalnik na svetu z valovno dolžino 3 μmfemtosekundni vlakenski laser

Vlaknasti laserZa doseganje laserskega izhoda v srednjem infrardečem območju je prvi korak izbira ustreznega materiala za vlakneno matrico. Pri vlaknenih laserjih v bližnjem infrardečem območju je kremenova steklena matrica najpogostejši material za vlakneno matrico z zelo nizkimi izgubami pri prenosu, zanesljivo mehansko trdnostjo in odlično stabilnostjo. Vendar pa se kremenova vlakna zaradi visoke energije fononov (1150 cm-1) ne morejo uporabljati za prenos laserja v srednjem infrardečem območju. Da bi dosegli nizke izgube pri prenosu laserja v srednjem infrardečem območju, moramo ponovno izbrati druge materiale za vlakneno matrico z nižjo energijo fononov, kot sta sulfidna steklena matrica ali fluoridna steklena matrica. Sulfidna vlakna imajo najnižjo energijo fononov (približno 350 cm-1), vendar imajo težavo, da koncentracije dopinga ni mogoče povečati, zato niso primerna za uporabo kot ojačanje vlaken za generiranje laserja v srednjem infrardečem območju. Čeprav ima substrat iz fluoridnega stekla nekoliko višjo energijo fononov (550 cm-1) kot substrat iz sulfidnega stekla, lahko dosežejo prenos z nizkimi izgubami tudi za laserje v srednjem infrardečem območju z valovnimi dolžinami manj kot 4 μm. Še pomembneje je, da lahko substrat iz fluoridnega stekla doseže visoko koncentracijo dopiranja z redkimi zemeljskimi ioni, kar lahko zagotovi ojačanje, potrebno za generiranje laserja v srednjem infrardečem območju, na primer najzrelejše fluoridno vlakno ZBLAN za Er3+ je doseglo koncentracijo dopiranja do 10 mol. Zato je matrica iz fluoridnega stekla najprimernejši material za vlakneno matrico za vlaknene laserje v srednjem infrardečem območju.

Nedavno je ekipa profesorja Ruana Shuangchena in profesorja Guo Chunyuja na univerzi Shenzhen razvila visokozmogljiv femtosekundnipulzni vlakenski lasersestavljen iz 2,8 μm modalno zaklenjenega optičnega oscilatorja Er:ZBLAN, enomodnega optičnega predojačevalnika Er:ZBLAN in glavnega optičnega ojačevalnika Er:ZBLAN z velikim poljem.
Na podlagi teorije samokompresije in ojačanja ultrakratkih impulzov v srednjem infrardečem območju, ki jih nadzoruje polarizacijsko stanje, in numerične simulacije naše raziskovalne skupine, v kombinaciji z nelinearnimi metodami zatiranja in krmiljenja modov optičnih vlaken z velikim modom, tehnologijo aktivnega hlajenja in ojačevalno strukturo dvostranske črpalke, sistem doseže izhod ultrakratkih impulzov dolžine 2,8 μm s povprečno močjo 8,12 W in širino impulza 148 fs. Mednarodni rekord najvišje povprečne moči, ki ga je dosegla ta raziskovalna skupina, je bil dodatno osvežen.

Slika 1 Strukturni diagram Er:ZBLAN vlakenskega laserja na osnovi MOPA strukture
Strukturafemtosekundni laserSistem je prikazan na sliki 1. V predojačevalniku je bilo kot ojačano vlakno uporabljeno enomodno dvojno oplaščeno vlakno Er:ZBLAN dolžine 3,1 m s koncentracijo dopiranja 7 mol.% in premerom jedra 15 μm (NA = 0,12). V glavnem ojačevalniku je bilo kot ojačano vlakno uporabljeno dvojno oplaščeno vlakno Er:ZBLAN z velikim poljem in dolžino 4 m s koncentracijo dopiranja 6 mol.% in premerom jedra 30 μm (NA = 0,12). Večji premer jedra pomeni, da ima ojačano vlakno nižji nelinearni koeficient in lahko prenese večjo temensko moč in impulzni izhod večje impulzne energije. Oba konca ojačanega vlakna sta spojena s priključno kapico AlF3.