Prielom! Stredne infračervený femtosekundový vláknový laser s najvyšším výkonom 3 μm na svete

Prielom! Najvyšší svetový výkon 3 μm stredné infračervené žiareniefemtosekundový vláknový laser

Vláknový laserna dosiahnutie stredného infračerveného laserového výstupu je prvým krokom výber vhodného materiálu matrice vlákien. V laseroch s blízkym infračerveným vláknom je matrica z kremenného skla najbežnejším materiálom matrice vlákien s veľmi nízkou stratou prenosu, spoľahlivou mechanickou pevnosťou a vynikajúcou stabilitou. Avšak kvôli vysokej fonónovej energii (1150 cm-1) nie je možné použiť kremenné vlákno na stredný infračervený laserový prenos. Aby sme dosiahli nízky stratový prenos stredného infračerveného lasera, musíme znovu vybrať iné materiály vláknitej matrice s nižšou fonónovou energiou, ako je matrica zo sulfidového skla alebo matrica z fluoridového skla. Sulfidové vlákno má najnižšiu fonónovú energiu (asi 350 cm-1), ale má problém, že sa nedá zvýšiť koncentrácia dopingu, takže nie je vhodné použiť ho ako ziskové vlákno na generovanie stredného infračerveného lasera. Hoci substrát z fluoridového skla má o niečo vyššiu fonónovú energiu (550 cm-1) ako substrát zo sulfidového skla, môže tiež dosiahnuť nízkostratový prenos pre stredne infračervené lasery s vlnovými dĺžkami menšími ako 4 μm. Ešte dôležitejšie je, že substrát z fluoridového skla môže dosiahnuť vysokú koncentráciu dopingových iónov vzácnych zemín, čo môže poskytnúť zisk potrebný na generovanie stredne infračerveného lasera, napríklad najvyzretejšie fluoridové vlákno ZBLAN pre Er3+ dokázalo dosiahnuť koncentráciu dopingu do 10 mol. Preto je fluoridová sklenená matrica najvhodnejším materiálom vláknitej matrice pre stredno-infračervené vláknové lasery.

Nedávno tím profesora Ruana Shuangchena a profesora Guo Chunyu na univerzite v Shenzhene vyvinul vysoko výkonnú femtosekundupulzný vláknový laserzložený z 2,8μm vláknového oscilátora Er:ZBLAN s uzamknutým režimom, jednomódového vláknového predzosilňovača Er:ZBLAN a hlavného vláknového zosilňovača Er:ZBLAN s veľkým režimom poľa.
Na základe teórie autokompresie a zosilnenia stredne infračerveného ultrakrátkeho impulzu riadeného stavom polarizácie a numerickou simuláciou našej výskumnej skupiny v kombinácii s metódami nelineárneho potlačenia a riadenia režimu veľkoformátového optického vlákna, technológiou aktívneho chladenia a zosilnenia štruktúrou obojstranného čerpadla systém získava 2,8μm ultrakrátky impulzný výstup s priemerným výkonom 8,12W a šírkou impulzu 148 fs. Medzinárodný rekord najvyššieho priemerného výkonu dosiahnutý touto výskumnou skupinou bol ďalej obnovený.

Obrázok 1 Schéma štruktúry vláknového lasera Er:ZBLAN založeného na štruktúre MOPA
Štruktúrafemtosekundový lasersystém je znázornený na obrázku 1. Ako ziskové vlákno v predzosilňovači bolo použité jednovidové dvojplášťové vlákno Er:ZBLAN s dĺžkou 3,1 m s koncentráciou dopingu 7 mol. % a priemerom jadra 15 μm (NA = 0,12). V hlavnom zosilňovači bolo ako ziskové vlákno použité dvojplášťové veľkomódové vlákno Er:ZBLAN s dĺžkou 4 m s koncentráciou dopingu 6 mol. % a priemerom jadra 30 μm (NA = 0,12). Väčší priemer jadra spôsobuje, že ziskové vlákno má nižší nelineárny koeficient a môže vydržať vyšší špičkový výkon a pulzný výstup väčšej pulznej energie. Obidva konce zosilňovacieho vlákna sú spojené s krytom AlF3 terminálu.