Femtosekundni laseri funkcionišu kao visoko precizni "optički skalpeli", igrajući nezamenljivu ulogu u preciznoj mašinskoj obradi, medicinskoj hirurgiji, spektralnoj detekciji i naučnim istraživanjima. Posebno u opsegu talasne dužine od 2 μm, ovi laseri pokrivaju više nivoa molekularne vibracione energije i preklapaju se sa apsorpcionim vrhovima različitih amino spojeva i bioloških tkiva. Zbog toga su zahtjevi za njihovom primjenom posebno hitni u oblastima kao što su prerada nemetalnih materijala i biomedicinsko inženjerstvo.
Međutim, pojačanje slabih femtosekundnih lasera do velike snage je izuzetno teško. Ključni izazov leži u intenzivnim nelinearnim interakcijama između izuzetno visokog optičkog intenziteta femtosekundnog impulsa i medija za pojačavanje tokom pojačanja. Uz to, jaki termalni efekti pri visokim stopama ponavljanja mogu degradirati kvalitet zraka, uzrokovati izobličenje impulsa, pa čak i oštetiti optičke komponente. Postojeća rješenja prvenstveno koriste tehnologiju pojačanja čirpiranog impulsa (CPA), koja uključuje prvo temporalno proširenje impulsa (smanjenje vršne snage), pojačavanje laserske energije do određenog nivoa, a zatim je nazadovanje. Međutim, ovaj sistem je složen, skup i glomazan. Stoga je mogućnost eliminacije koraka proširenja i kompresije i postizanja "direktnog pojačanja" femtosekundnih impulsa od 2 μm uz održavanje jednostavne, kompaktne strukture i snažne sposobnosti rukovanja snagom postala žarište istraživanja u polju tehnologije pojačanja.
Femtosekundno lasersko pojačalo zasnovano 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-difrakcijski-ograničeni kvalitet zraka (M² < 1,2). Studija pokazuje da diskretni SCF raspored značajno smanjuje kumulativni nelinearni fazni pomak, efikasno potiskujući štetne nelinearne efekte i osiguravajući stabilnu spektralnu i vremensku evoluciju tokom pojačanja. Ovaj jednostavan, kompaktan i efikasan pristup omogućava 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 aplikacije.
Struktura ovog Ho:YAG SCF sistema za pojačavanje, kao što je prikazano na slici 1, se sastoji od izvora laserskog sjemena, stepena pretpojačala i stepena pojačala (koji se sastoji od tri serijski-povezana 0,5% dopirana Ho:YAG SCF-a). Laserski izvor isporučuje prosječnu snagu od 0,45 W na 2091 nm, sa vremenskom širinom impulsa od 360 fs i stopom ponavljanja od 75,45 MHz. Nakon prolaska kroz stepen pretpojačala i tandemski stepen pojačala snage SCF, prosječna snaga se povećava na 56,3 W, a temporalni impuls se širi na 778 fs. Spektralne karakteristike i vremenska evolucija konačnog izlaznog impulsa iz cijelog sistema pojačanja prikazani su na slici 2.
Slika 1 Šema Ho:YAG SCF sistema za pojačavanje
Slika 2. Spektralna i vremenska evolucija Ho:YAG SCF sistema za pojačavanje
U konvencionalnim tehnikama pojačanja, direktno pojačanje femtosekundnih impulsa pati od izobličenja impulsa i degradacije snopa zbog efekata samo{0}}fokusiranja izazvanih snažnim nelinearnim faznim pomacima. Ovo ograničenje ograničava bulk/fiber pojačivače na rad samo unutar raspona pikosekundnih impulsa. Ovo zahtijeva sisteme za pojačavanje impulsa (CPA) baziranih na istezanju i kompresiji impulsa. Dok sistemi optičkog parametarskog pojačanja impulsa (OPCPA) mogu postići energiju impulsa na nivou miliwatt- pri brzinama ponavljanja kHz, termalni efekti ograničavaju poboljšanja prosječne snage i efikasnosti. Dok CPA sistemi bazirani na vlaknima- nude jasne prednosti u visokoj prosječnoj snazi i visokom kvalitetu zraka, njihova izlazna energija/vršna snaga je ograničena nelinearnim efektima i optičkim oštećenjem. Shodno tome, postojeće tehnologije se bore da istovremeno optimizuju tri ključne metrike performansi: snagu, brzinu ponavljanja i širinu impulsa. Ova studija inovativno predlaže diskretnu Ho:YAG SCF seriju konfiguracije. Segmentalnim prekidanjem kontinuiranog puta akumulacije nelinearnog faznog pomaka, smanjuje se ukupni B-integral sistema pojačanja. Ovaj pristup balansira dužinu SCF-a sa-daljinom samofokusiranja, čime se ublažava-rizik samofokusiranja. Koristeći diskretnu strukturu od jednog-kristalnog vlakna, ovaj rad uspješno prevazilazi-dugotrajne izazove supresije nelinearnih efekata i poboljšanja efikasnosti u 2 μm femtosekundnom laserskom pojačanju. Postiže značajan napredak u laserskim performansama kroz visoko efikasnu, strukturno pojednostavljenu šemu pojačanja.
Ovaj rad demonstrira tehniku direktnog pojačavanja za femtosekundne lasere od 2 μm, pružajući novi tehnički put za razvoj kompaktnih, efikasnih i visokih{1}}performansi 2 μm ultrabrzih lasera. Budući napori će integrirati odabir impulsa i tehnike post{4}}kompresije kako bi se ostvarila veća pojedinačna-energija i kraće širine impulsa.
