Фемтосекундні лазери функціонують як високоточні «оптичні скальпелі», відіграючи незамінну роль у прецизійній обробці, медичній хірургії, спектральному виявленні та наукових дослідженнях. Особливо в діапазоні довжин хвиль 2 мкм ці лазери охоплюють численні молекулярні вібраційні рівні енергії та перекриваються з піками поглинання різних аміносполук і біологічних тканин. Отже, вимоги до їх застосування є особливо актуальними в таких галузях, як обробка неметалевих матеріалів і біомедична інженерія.
Однак посилити слабкі фемтосекундні зародкові лазери до високої потужності надзвичайно складно. Ключова проблема полягає в інтенсивній нелінійній взаємодії між надзвичайно високою оптичною інтенсивністю фемтосекундного імпульсу та підсилювальним середовищем під час підсилення. Крім того, сильні термічні ефекти з високою частотою повторення можуть погіршити якість променя, спричинити спотворення імпульсу та навіть пошкодити оптичні компоненти. Існуючі рішення в основному використовують технологію посилення імпульсу з чирпованим імпульсом (CPA), яка передбачає спочатку тимчасове розширення імпульсу (зменшення пікової потужності), посилення енергії лазера до певного рівня, а потім її стиснення. Однак ця система є складною, дорогою та громіздкою. Таким чином, можливість усунути кроки розширення та стиснення та досягти «прямого посилення» 2 мкм фемтосекундних імпульсів, зберігаючи при цьому просту, компактну структуру та потужну здатність до керування потужністю, стала гарячою точкою досліджень у галузі технологій посилення.
Фемтосекундний лазерний підсилювач на основі «дискретного» СКФ
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%) і майже{1}}дифракційна-обмежена якість променя (M² < 1,2). Дослідження демонструє, що дискретна схема SCF значно зменшує кумулятивний нелінійний фазовий зсув, ефективно пригнічуючи шкідливі нелінійні ефекти та забезпечуючи стабільну спектральну та часову еволюцію під час посилення. Цей простий, компактний та ефективний підхід дозволяє підсилювати ультракороткі імпульси 2 мкм із частотою повторення від МГц до кГц, відкриваючи нові шляхи для досягнення високої середньої/пікової потужності та демонструючи величезний потенціал для сучасних нелінійних фотонних застосувань.
Структура цієї системи ампліфікації Ho:YAG SCF, як показано на малюнку 1, включає джерело лазерного затравки, каскад попереднього підсилення та каскад підсилення (що складається з трьох послідовно-з’єднаних 0,5% легованих Ho:YAG SCF). Джерело лазерного затравки забезпечує середню потужність 0,45 Вт при 2091 нм, з тимчасовою шириною імпульсу 360 фс і частотою повторення 75,45 МГц. Після проходження каскаду попереднього підсилення і тандемного каскаду підсилювача потужності SCF середня потужність зростає до 56,3 Вт, а тимчасовий імпульс розширюється до 778 фс. Спектральні характеристики та часова еволюція кінцевого вихідного імпульсу всієї системи підсилення показані на малюнку 2.
Рисунок 1. Схема системи підсилення Ho:YAG SCF
Рисунок 2 Спектральна та часова еволюція системи підсилення Ho:YAG SCF
У звичайних методах підсилення пряме підсилення фемтосекундних імпульсів страждає від імпульсних спотворень і деградації променя через ефекти само-фокусування, викликані сильними нелінійними фазовими зрушеннями. Це обмеження обмежує роботу об’ємних/волоконних підсилювачів лише в діапазоні пікосекундних імпульсів. Це вимагає систем посилення чирпованих імпульсів (CPA), заснованих на розтягуванні та стисненні імпульсу. У той час як системи оптичного параметричного підсилення імпульсу з чирпованою частотою (OPCPA) можуть досягати енергії імпульсу на міліват-рівні з частотою повторення кГц, теплові ефекти обмежують підвищення середньої потужності та ефективності. Хоча оптоволоконні -системи CPA пропонують явні переваги у високій середній потужності та високій якості променя, їх вихідна енергія/пікова потужність обмежена нелінійними ефектами та оптичними пошкодженнями. Отже, існуючим технологіям важко одночасно оптимізувати три ключові показники продуктивності: потужність, частоту повторення та ширину імпульсу. Це дослідження пропонує інноваційну конфігурацію дискретної серії Ho:YAG SCF. Сегментно перериваючи безперервний шлях накопичення нелінійного зсуву фази, він зменшує загальний інтеграл B-системи підсилення. Цей підхід збалансовує довжину SCF із довжиною само-фокусування, тим самим зменшуючи ризики-самофокусування. Завдяки використанню дискретної моно-кристалічної волоконної структури ця робота успішно долає-давні проблеми придушення нелінійного ефекту та підвищення ефективності фемтосекундного лазерного посилення 2 мкм. Завдяки високоефективній, структурно спрощеній схемі підсилення він досягає значних проривів у продуктивності лазера.
Ця робота демонструє техніку прямого підсилення для 2-мкм фемтосекундних лазерів, забезпечуючи новий технічний шлях для розробки компактних, ефективних і високо-продуктивних 2-мкм надшвидких лазерів. Майбутні зусилля об’єднуватимуть відбір імпульсів і методи пост-компресії для досягнення вищої одиночної-енергії імпульсу та меншої ширини імпульсу.
