Femtosekundni laseri funkcioniraju kao vrlo precizni "optički skalpeli", igrajući nezamjenjivu ulogu u preciznoj strojnoj obradi, medicinskoj kirurgiji, spektralnoj detekciji i znanstvenim istraživanjima. Osobito u pojasu valne duljine od 2 μm, ovi laseri pokrivaju više razina molekularne vibracijske energije i preklapaju se s vrhovima apsorpcije različitih amino spojeva i bioloških tkiva. Posljedično, zahtjevi za njihovu primjenu posebno su hitni u poljima poput obrade ne-metalnih materijala i biomedicinskog inženjerstva.
Međutim, pojačanje slabih femtosekundnih početnih lasera na veliku snagu iznimno je teško. Ključni izazov leži u intenzivnim nelinearnim interakcijama između iznimno visokog optičkog intenziteta femtosekundnog pulsa i medija za pojačanje tijekom pojačanja. Osim toga, jaki toplinski učinci pri visokim stopama ponavljanja mogu pogoršati kvalitetu zrake, uzrokovati izobličenje pulsa, pa čak i oštetiti optičke komponente. Postojeća rješenja primarno koriste tehnologiju pojačanja chirped pulsa (CPA), koja uključuje prvo vremensko širenje pulsa (smanjenje vršne snage), pojačavanje laserske energije do određene razine, a zatim je ponovno sažimanje. Međutim, ovaj sustav je složen, skup i glomazan. Stoga je mogućnost eliminiranja koraka proširenja i kompresije i postizanja "izravnog pojačanja" 2 μm femtosekundnih impulsa uz zadržavanje jednostavne, kompaktne strukture i snažne mogućnosti upravljanja snagom postala žarište istraživanja u polju tehnologije pojačanja.
Femtosekundno lasersko pojačalo temeljeno na "diskretnom" 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%) i blizu -difrakcijske-ograničene kvalitete snopa (M² < 1,2). Studija pokazuje da diskretni SCF raspored značajno smanjuje kumulativni nelinearni fazni pomak, učinkovito potiskujući štetne nelinearne učinke i osiguravajući stabilnu spektralnu i vremensku evoluciju tijekom pojačanja. Ovaj jednostavan, kompaktan i učinkovit pristup omogućuje pojačanje ultrakratkih impulsa od 2 μm pri brzinama ponavljanja od MHz do kHz, otvarajući nove puteve za postizanje visoke prosječne/vršne snage i pokazujući ogroman potencijal za moderne nelinearne fotoničke primjene.
Struktura ovog Ho:YAG SCF sustava pojačanja, kao što je prikazano na slici 1, sastoji se od izvora laserskog klica, stupnja pretpojačala i stupnja pojačala (koji se sastoji od tri serije-povezanih 0,5% dopiranih Ho:YAG SCF-ova). Izvor laserskog sjemena isporučuje prosječnu snagu od 0,45 W na 2091 nm, s vremenskom širinom pulsa od 360 fs i brzinom ponavljanja od 75,45 MHz. Nakon prolaska kroz stupanj predpojačala i tandem SCF stupanj pojačala snage, prosječna snaga raste na 56,3 W, a vremenski puls se širi na 778 fs. Spektralne karakteristike i vremenska evolucija konačnog izlaznog impulsa iz cijelog sustava pojačanja prikazani su na slici 2.
Slika 1. Shema Ho:YAG SCF sustava pojačanja
Slika 2 Spektralna i vremenska evolucija Ho:YAG SCF sustava pojačanja
U konvencionalnim tehnikama pojačanja, izravno pojačanje femtosekundnih impulsa pati od izobličenja pulsa i degradacije snopa zbog učinaka samo-fokusiranja potaknutih jakim nelinearnim faznim pomacima. Ovo ograničenje ograničava skupna/vlaknasta pojačala na rad samo unutar raspona pikosekundnog pulsa. Zbog toga su potrebni sustavi pojačanja čirpiranog pulsa (CPA) temeljeni na istezanju i kompresiji pulsa. Dok sustavi optičkog parametarskog pojačanja impulsa s cvrkutom (OPCPA) mogu postići energiju pulsa na razini milivata-pri kHz ponavljanju, toplinski učinci ograničavaju poboljšanja prosječne snage i učinkovitosti. Dok CPA sustavi-temeljeni na vlaknima nude jasne prednosti u visokoj prosječnoj snazi i visokoj kvaliteti snopa, njihova izlazna energija/vršna snaga ograničena je nelinearnim efektima i optičkim oštećenjima. Posljedično, postojeće tehnologije bore se za simultanu optimizaciju triju ključnih metrika performansi: snage, stope ponavljanja i širine pulsa. Ova studija na inovativan način predlaže diskretnu konfiguraciju Ho:YAG SCF serije. Segmentnim prekidanjem staze kontinuirane akumulacije nelinearnog faznog pomaka, smanjuje ukupni B-integral sustava pojačanja. Ovaj pristup uravnotežuje duljinu SCF-a s duljinom samo-fokusiranja, čime se smanjuju rizici samo{13}}fokusiranja. Upotrebom diskretne jedno-kristalne strukture vlakana, ovaj rad uspješno nadvladava dugo-izazove suzbijanja nelinearnog učinka i povećanja učinkovitosti u 2 μm femtosekundnom laserskom pojačanju. Postiže značajan napredak u radu lasera kroz visoko učinkovitu, strukturno pojednostavljenu shemu pojačanja.
Ovaj rad demonstrira tehniku izravnog pojačanja za 2 μm femtosekundne lasere, pružajući novi tehnički put za razvoj kompaktnih, učinkovitih i visoko{1}}učinkovitih 2 μm ultrabrzih lasera. Budući napori integrirat će selekciju impulsa i tehnike post-kompresije kako bi se postigla veća energija jednog-pulsa i kraće širine impulsa.
