Femtosekundové lasery fungují jako vysoce přesné „optické skalpely“ a hrají nezastupitelnou roli v přesném obrábění, lékařské chirurgii, spektrální detekci a vědeckém výzkumu. Zejména v pásmu vlnových délek 2 μm tyto lasery pokrývají více úrovní molekulární vibrační energie a překrývají se s absorpčními píky různých aminosloučenin a biologických tkání. V důsledku toho jsou požadavky na jejich aplikace obzvláště naléhavé v oborech, jako je zpracování nekovových materiálů a biomedicínské inženýrství.
Zesílit slabé femtosekundové lasery na vysoký výkon je však mimořádně obtížné. Klíčová výzva spočívá v intenzivní nelineární interakci mezi extrémně vysokou optickou intenzitou femtosekundového pulsu a zesilovacím médiem během zesilování. Kromě toho mohou silné tepelné účinky při vysokých opakovacích frekvencích snížit kvalitu paprsku, způsobit zkreslení pulzu a dokonce poškodit optické komponenty. Stávající řešení využívají primárně technologii chirped pulse amplification (CPA), která zahrnuje nejprve dočasné rozšíření pulsu (snížení špičkového výkonu), zesílení laserové energie na určitou úroveň a její následné stlačení. Tento systém je však složitý, drahý a objemný. Schopnost eliminovat rozšiřovací a kompresní kroky a dosáhnout „přímého zesílení“ 2 μm femtosekundových pulzů při zachování jednoduché, kompaktní struktury a silné schopnosti manipulace s výkonem se proto stala aktivním bodem výzkumu v oblasti zesilovací technologie.
Femtosekundový laserový zesilovač založený na "diskrétním" 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 %) a kvalita paprsku blízká -difrakční-omezené kvalitě (M² < 1,2). Studie ukazuje, že diskrétní uspořádání SCF významně snižuje kumulativní nelineární fázový posun, účinně potlačuje škodlivé nelineární efekty a zajišťuje stabilní spektrální a časový vývoj během amplifikace. Tento jednoduchý, kompaktní a účinný přístup umožňuje zesílení 2 μm ultrakrátkých pulzů při opakovacích frekvencích MHz až kHz, což otevírá nové cesty k dosažení vysokého průměrného/špičkového výkonu a vykazuje obrovský potenciál pro moderní nelineární fotonické aplikace.
Struktura tohoto zesilovacího systému Ho:YAG SCF, jak je znázorněna na obrázku 1, obsahuje zdroj laserového zárodku, předzesilovač a zesilovací stupeň (skládající se ze tří sériově{1}}zapojených 0,5% dopovaných Ho:YAG SCF). Zdroj laserových zárodků dodává průměrný výkon 0,45 W při 2091 nm, s šířkou dočasného pulzu 360 fs a opakovací frekvencí 75,45 MHz. Po průchodu stupněm předzesilovače a stupněm tandemového výkonového zesilovače SCF se průměrný výkon zvýší na 56,3 W a časový impuls se rozšíří na 778 fs. Spektrální charakteristiky a časový vývoj konečného výstupního impulsu z celého zesilovacího systému jsou uvedeny na obrázku 2.
Obrázek 1 Schéma Ho:YAG SCF amplifikačního systému
Obrázek 2 Spektrální a časový vývoj Ho:YAG SCF amplifikačního systému
V konvenčních technikách zesílení trpí přímé zesílení femtosekundových pulzů zkreslením pulzu a degradací paprsku v důsledku efektů vlastního ostření vyvolaných silnými nelineárními fázovými posuny. Toto omezení omezuje objemové/vláknové zesilovače na provoz pouze v rozsahu pikosekundových pulzů. To vyžaduje systémy zesílení pulsu (CPA) založené na natahování a kompresi pulsu. Zatímco systémy optického parametrického zesílení pulzů (OPCPA) mohou dosáhnout energie pulzu na úrovni miliwatt- při opakovacích frekvencích kHz, tepelné efekty omezují zlepšení průměrného výkonu a účinnosti. Zatímco systémy CPA založené na vláknech- nabízejí výrazné výhody ve vysokém průměrném výkonu a vysoké kvalitě paprsku, jejich výstupní energie/špičkový výkon je omezen nelineárními efekty a optickým poškozením. V důsledku toho se stávající technologie snaží současně optimalizovat tři klíčové metriky výkonu: výkon, opakovací frekvenci a šířku pulzu. Tato studie inovativně navrhuje diskrétní konfiguraci řady Ho:YAG SCF. Segmentálním přerušením kontinuální akumulační cesty nelineárního fázového posunu snižuje celkový B-integrál zesilovacího systému. Tento přístup vyvažuje délku SCF s délkou sebe{12}}zaostřování, čímž snižuje rizika sebe{13}}ostření. Využitím diskrétní jedno{15}}krystalické vláknité struktury tato práce úspěšně překonává-dlouhodobé problémy potlačení nelineárních efektů a zvýšení účinnosti u 2μm femtosekundového laserového zesílení. Dosahuje významného průlomu ve výkonu laseru prostřednictvím vysoce účinného, strukturálně zjednodušeného schématu zesílení.
Tato práce demonstruje techniku přímého zesílení pro 2μm femtosekundové lasery, která poskytuje novou technickou cestu pro vývoj kompaktních, účinných a-výkonných 2μm ultrarychlých laserů. Budoucí úsilí bude integrovat výběr pulzu a post-kompresní techniky, aby bylo možné dosáhnout vyšší energie jednoho-pulsu a kratší šířky pulzu.
