Τα λέιζερ Femtosecond λειτουργούν ως «οπτικά νυστέρια» υψηλής ακρίβειας, παίζοντας αναντικατάστατο ρόλο στη μηχανική κατεργασία ακριβείας, την ιατρική χειρουργική, την φασματική ανίχνευση και την επιστημονική έρευνα. Ιδιαίτερα στη ζώνη μήκους κύματος των 2 μm, αυτά τα λέιζερ καλύπτουν πολλαπλά επίπεδα μοριακής δόνησης ενέργειας και επικαλύπτονται με κορυφές απορρόφησης διαφόρων αμινο ενώσεων και βιολογικών ιστών. Κατά συνέπεια, οι απαιτήσεις εφαρμογής τους είναι ιδιαίτερα επείγουσες σε τομείς όπως η επεξεργασία μη{3}}μημεταλλικών υλικών και η βιοϊατρική μηχανική.
Ωστόσο, η ενίσχυση λέιζερ ασθενούς φεμτοδευτερολέπτου σε υψηλή ισχύ είναι εξαιρετικά δύσκολη. Η βασική πρόκληση έγκειται στις έντονες μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της εξαιρετικά υψηλής οπτικής έντασης του παλμού femtosecond και του μέσου ενίσχυσης κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης. Επιπλέον, σοβαρές θερμικές επιδράσεις σε υψηλούς ρυθμούς επανάληψης μπορεί να υποβαθμίσουν την ποιότητα της δέσμης, να προκαλέσουν παραμόρφωση παλμού και ακόμη και να καταστρέψουν τα οπτικά εξαρτήματα. Οι υπάρχουσες λύσεις χρησιμοποιούν κατά κύριο λόγο την τεχνολογία ενίσχυσης παλμού κελαηδίσματος (CPA), η οποία περιλαμβάνει πρώτα τη χρονική διεύρυνση του παλμού (μείωση της μέγιστης ισχύος), την ενίσχυση της ενέργειας του λέιζερ σε ένα ορισμένο επίπεδο και, στη συνέχεια, τη συμπίεσή της. Ωστόσο, αυτό το σύστημα είναι πολύπλοκο, ακριβό και ογκώδες. Ως εκ τούτου, η ικανότητα εξάλειψης των σταδίων διεύρυνσης και συμπίεσης και επίτευξης "άμεσης ενίσχυσης" παλμών 2 μm femtosecond διατηρώντας μια απλή, συμπαγή δομή και ισχυρή ικανότητα διαχείρισης ισχύος έχει γίνει ένα ερευνητικό hotspot στον τομέα της τεχνολογίας ενίσχυσης.
Ενισχυτής λέιζερ Femtosecond Βασισμένος σε "Διακριτή" 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%) και σχεδόν-περθλάσεως-περιορισμένης ποιότητας δέσμης (M² < 1,2). Η μελέτη καταδεικνύει ότι η διακριτή διάταξη SCF μειώνει σημαντικά τη σωρευτική μη γραμμική μετατόπιση φάσης, καταστέλλοντας αποτελεσματικά τις επιζήμιες μη γραμμικές επιδράσεις και διασφαλίζοντας σταθερή φασματική και χρονική εξέλιξη κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης. Αυτή η απλή, συμπαγής και αποτελεσματική προσέγγιση επιτρέπει την ενίσχυση υπερμικρών παλμών 2 μm σε ρυθμούς επανάληψης MHz έως kHz, ανοίγοντας νέους δρόμους για την επίτευξη υψηλής μέσης/μέσης ισχύος και επιδεικνύοντας τεράστιες δυνατότητες για σύγχρονες μη γραμμικές εφαρμογές φωτονικής.
Η δομή αυτού του συστήματος ενίσχυσης Ho:YAG SCF, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, περιλαμβάνει μια πηγή σποράς λέιζερ, ένα στάδιο προενισχυτή και ένα στάδιο ενισχυτή (αποτελούμενο από τρεις σειρές-συνδεδεμένες 0,5% ντοπαρισμένες Ho:YAG SCF). Η πηγή σποράς λέιζερ αποδίδει μέση ισχύ 0,45 W στα 2091 nm, με προσωρινό πλάτος παλμού 360 fs και ρυθμό επανάληψης 75,45 MHz. Αφού περάσετε από το στάδιο του προενισχυτή και το στάδιο του διαδοχικού ενισχυτή ισχύος SCF, η μέση ισχύς αυξάνεται στα 56,3 W και ο χρονικός παλμός διευρύνεται στα 778 fs. Τα φασματικά χαρακτηριστικά και η χρονική εξέλιξη του τελικού παλμού εξόδου από ολόκληρο το σύστημα ενίσχυσης φαίνονται στο Σχήμα 2.
Σχήμα 1 Σχηματικό του συστήματος ενίσχυσης Ho:YAG SCF
Σχήμα 2 Φασματική και χρονική εξέλιξη του συστήματος ενίσχυσης Ho:YAG SCF
Στις συμβατικές τεχνικές ενίσχυσης, η άμεση ενίσχυση παλμών femtosecond υποφέρει από παραμόρφωση παλμού και υποβάθμιση της δέσμης λόγω των επιδράσεων αυτοεστίασης που προκαλούνται από ισχυρές μη γραμμικές μετατοπίσεις φάσης. Αυτός ο περιορισμός περιορίζει τους ενισχυτές όγκου/ινών να λειτουργούν μόνο εντός του εύρους παλμών picosecond. Αυτό απαιτεί συστήματα ενίσχυσης παλμού κελαηδίσματος (CPA) που βασίζονται σε τέντωμα και συμπίεση παλμών. Ενώ τα συστήματα οπτικής παραμετρικής ενίσχυσης παλμού κελαηδίσματος (OPCPA) μπορούν να επιτύχουν παλμική ενέργεια επιπέδου milliwatt σε ρυθμούς επανάληψης kHz, τα θερμικά εφέ περιορίζουν τις βελτιώσεις στη μέση ισχύ και απόδοση. Ενώ τα συστήματα CPA που βασίζονται σε{6} ίνες προσφέρουν ξεχωριστά πλεονεκτήματα σε υψηλή μέση ισχύ και υψηλή ποιότητα δέσμης, η ενέργεια εξόδου/ισχύς αιχμής τους περιορίζεται από μη γραμμικά φαινόμενα και οπτικές βλάβες. Κατά συνέπεια, οι υπάρχουσες τεχνολογίες αγωνίζονται να βελτιστοποιήσουν ταυτόχρονα τις τρεις βασικές μετρήσεις απόδοσης: ισχύς, ρυθμός επανάληψης και πλάτος παλμού. Αυτή η μελέτη προτείνει καινοτόμα μια διακριτή διαμόρφωση της σειράς Ho:YAG SCF. Διακόπτοντας τμηματικά τη διαδρομή συνεχούς συσσώρευσης της μη γραμμικής μετατόπισης φάσης, μειώνεται το συνολικό-ολοκλήρωμα B του συστήματος ενίσχυσης. Αυτή η προσέγγιση εξισορροπεί το μήκος SCF με το μήκος{12}}αυτοεστίασης, μετριάζοντας έτσι τους κινδύνους αυτοεστίασης-. Χρησιμοποιώντας μια διακριτή δομή μονής-κρυσταλλικής ίνας, αυτή η εργασία ξεπερνά με επιτυχία τις μακροχρόνιες-προκλήσεις της καταστολής μη γραμμικών φαινομένων και της βελτίωσης της απόδοσης σε ενίσχυση λέιζερ 2 μm femtosecond. Επιτυγχάνει σημαντικές ανακαλύψεις στην απόδοση λέιζερ μέσω ενός εξαιρετικά αποδοτικού, δομικά απλοποιημένου σχήματος ενίσχυσης.
Αυτή η εργασία καταδεικνύει μια τεχνική άμεσης ενίσχυσης για λέιζερ 2 μm femtosecond, παρέχοντας μια νέα τεχνική οδό για την ανάπτυξη συμπαγών, αποτελεσματικών και{1}}υπερταχών λέιζερ 2 μm υψηλής απόδοσης. Οι μελλοντικές προσπάθειες θα ενσωματώσουν τεχνικές επιλογής παλμού και μετά{4}}συμπίεσης για την επιδίωξη υψηλότερης ενέργειας μονού-παλμού και μικρότερου πλάτους παλμού.
