Фемтосекундните лазери функционират като високо прецизни "оптични скалпели", играещи незаменима роля в прецизната обработка, медицинската хирургия, спектралното откриване и научните изследвания. По-специално в лентата с дължина на вълната от 2 μm, тези лазери покриват множество молекулярни вибрационни енергийни нива и се припокриват с пикове на абсорбция на различни аминосъединения и биологични тъкани. Следователно изискванията за тяхното приложение са особено спешни в области като обработката на не-метални материали и биомедицинското инженерство.
Въпреки това, усилването на слабите фемтосекундни зародишни лазери до висока мощност е изключително трудно. Ключовото предизвикателство се крие в интензивните нелинейни взаимодействия между изключително високия оптичен интензитет на фемтосекундния импулс и усилващата среда по време на усилването. Освен това, тежките топлинни ефекти при висока честота на повторение могат да влошат качеството на лъча, да причинят изкривяване на импулса и дори да повредят оптичните компоненти. Съществуващите решения използват основно технология за усилване на чирпирания импулс (CPA), която включва първо временно разширяване на импулса (намаляване на пиковата мощност), усилване на лазерната енергия до определено ниво и след това нейното компресиране обратно. Тази система обаче е сложна, скъпа и обемиста. Следователно способността да се елиминират стъпките на разширяване и компресиране и да се постигне "директно усилване" на 2 μm фемтосекундни импулси, като същевременно се поддържа проста, компактна структура и силна способност за управление на мощността, се превърна в изследователска гореща точка в областта на технологията за усилване.
Фемтосекунден лазерен усилвател, базиран на "дискретен" 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%) и почти-дифракционно-ограничено качество на лъча (M² < 1,2). Проучването демонстрира, че дискретното SCF оформление значително намалява кумулативното нелинейно фазово изместване, като ефективно потиска вредните нелинейни ефекти и осигурява стабилна спектрална и времева еволюция по време на усилване. Този прост, компактен и ефективен подход позволява усилване на 2 μm ултракъси импулси при честоти на повторение от MHz до kHz, отваряйки нови пътища за постигане на висока средна/пикова мощност и проявявайки огромен потенциал за модерни нелинейни фотоникни приложения.
Структурата на тази система за усилване на Ho:YAG SCF, както е показано на Фигура 1, се състои от източник на лазерен зародиш, етап на предусилвател и етап на усилване (състоящ се от три последователно-свързани 0,5% легирани Ho:YAG SCFs). Източникът на лазерно зареждане доставя средна мощност от 0,45 W при 2091 nm, с времева ширина на импулса от 360 fs и честота на повторение от 75,45 MHz. След преминаване през етапа на предусилвателя и етапа на тандемния SCF усилвател на мощност, средната мощност се увеличава до 56,3 W, а времевият импулс се разширява до 778 fs. Спектралните характеристики и времевата еволюция на крайния изходен импулс от цялата система за усилване са показани на фигура 2.
Фигура 1 Схема на системата за усилване Ho:YAG SCF
Фигура 2 Спектрална и времева еволюция на системата за усилване на Ho:YAG SCF
При конвенционалните техники за усилване директното усилване на фемтосекундни импулси страда от изкривяване на импулса и влошаване на лъча поради ефекти на само-фокусиране, предизвикани от силни нелинейни фазови измествания. Това ограничение ограничава обемните/влакнестите усилватели да работят само в рамките на пикосекундния импулсен диапазон. Това налага системи за усилване на чирпирания импулс (CPA), базирани на разтягане и компресия на импулса. Докато системите за оптично параметрично чирпиране на импулс (OPCPA) могат да постигнат импулсна енергия на ниво миливат-при честоти на повторение kHz, топлинните ефекти ограничават подобренията в средната мощност и ефективност. Докато базираните на влакна-системи CPA предлагат различни предимства при висока средна мощност и високо качество на лъча, тяхната изходна енергия/пикова мощност е ограничена от нелинейни ефекти и оптични повреди. Следователно съществуващите технологии се борят да оптимизират едновременно трите ключови показателя за ефективност: мощност, честота на повторение и ширина на импулса. Това проучване иновативно предлага дискретна конфигурация от серията Ho:YAG SCF. Чрез сегментно прекъсване на непрекъснатия път на натрупване на нелинейно фазово изместване, той намалява общия B-интеграл на системата за усилване. Този подход балансира дължината на SCF с дължината на само-фокусирането, като по този начин намалява рисковете от само{13}}фокусиране. Чрез използване на дискретна структура от единични-кристални влакна, тази работа успешно преодолява дългогодишните-предизвикателства на потискането на нелинейния ефект и подобряването на ефективността при 2 μm фемтосекундно лазерно усилване. Той постига значителни пробиви в лазерната производителност чрез високоефективна, структурно опростена схема на усилване.
Тази работа демонстрира техника за директно усилване за 2 μm фемтосекундни лазери, предоставяйки нов технически път за разработване на компактни, ефективни и високо-производителни 2 μm ултрабързи лазери. Бъдещите усилия ще интегрират техники за избор на импулс и пост-компресия, за да се постигне по-висока единична-енергия на импулса и по-къса ширина на импулса.
