Фемтосекундные лазеры действуют как высокоточные «оптические скальпели», играя незаменимую роль в точной механической обработке, медицинской хирургии, спектральном детектировании и научных исследованиях. В частности, в диапазоне длин волн 2 мкм эти лазеры охватывают несколько уровней энергии колебаний молекул и перекрываются с пиками поглощения различных аминосоединений и биологических тканей. Следовательно, требования к их применению особенно актуальны в таких областях, как обработка неметаллических материалов и биомедицинская инженерия.
Однако усиление слабых фемтосекундных затравочных лазеров до высокой мощности исключительно сложно. Ключевая проблема заключается в интенсивных нелинейных взаимодействиях между чрезвычайно высокой оптической интенсивностью фемтосекундного импульса и усиливающей средой во время усиления. Кроме того, сильные тепловые эффекты при высокой частоте повторения могут ухудшить качество луча, вызвать искажение импульса и даже повредить оптические компоненты. Существующие решения в основном используют технологию усиления чирпированного импульса (CPA), которая включает в себя сначала временное расширение импульса (снижение пиковой мощности), усиление энергии лазера до определенного уровня, а затем ее обратное сжатие. Однако эта система сложна, дорога и громоздка. Таким образом, возможность исключить этапы расширения и сжатия и добиться «прямого усиления» фемтосекундных импульсов длиной 2 мкм при сохранении простой, компактной структуры и высокой мощности стала горячей точкой исследований в области технологий усиления.
Фемтосекундный лазерный усилитель на основе «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%) и почти -дифракционное-ограниченное качество луча (M² < 1,2). Исследование показывает, что дискретная компоновка SCF значительно снижает совокупный нелинейный фазовый сдвиг, эффективно подавляя вредные нелинейные эффекты и обеспечивая стабильную спектральную и временную эволюцию во время усиления. Этот простой, компактный и эффективный подход позволяет усиливать ультракороткие импульсы диаметром 2 мкм с частотой повторения от МГц до кГц, открывая новые возможности для достижения высокой средней/пиковой мощности и демонстрируя огромный потенциал для современных приложений нелинейной фотоники.
Структура этой системы усиления SCF Ho:YAG, как показано на рисунке 1, включает в себя лазерный источник затравки, каскад предварительного усилителя и каскад усилителя (состоящий из трех -соединенных последовательно -соединённых 0,5% легированных SCF Ho:YAG). Лазерный затравочный источник обеспечивает среднюю мощность 0,45 Вт при длине волны 2091 нм, временную ширину импульса 360 фс и частоту повторения 75,45 МГц. После прохождения каскада предусилителя и тандемного каскада усилителя мощности СКФ средняя мощность возрастает до 56,3 Вт, а временной импульс уширяется до 778 фс. Спектральные характеристики и временная эволюция конечного выходного импульса всей системы усиления показаны на рисунке 2.
Рисунок 1. Схема системы усиления Ho:YAG SCF.
Рисунок 2. Спектральная и временная эволюция системы усиления Ho:YAG SCF.
В традиционных методах усиления прямое усиление фемтосекундных импульсов страдает от искажений импульса и ухудшения качества луча из-за эффектов самофокусировки, вызванных сильными нелинейными фазовыми сдвигами. Это ограничение ограничивает работу оптоволоконных усилителей только в диапазоне пикосекундных импульсов. Это требует создания систем усиления чирпированных импульсов (CPA), основанных на растяжении и сжатии импульсов. Хотя системы оптического параметрического усиления чирпированных импульсов (OPCPA) могут достигать энергии импульса уровня милливатт-при частоте повторения кГц, тепловые эффекты ограничивают улучшение средней мощности и эффективности. Хотя оптоволоконные системы CPA-имеют явные преимущества в плане высокой средней мощности и высокого качества луча, их выходная энергия/пиковая мощность ограничены нелинейными эффектами и оптическими повреждениями. Следовательно, существующие технологии с трудом могут одновременно оптимизировать три ключевых показателя производительности: мощность, частоту повторения и длительность импульса. В этом исследовании новаторски предлагается дискретная конфигурация серии Ho:YAG SCF. Сегментарно прерывая непрерывный путь накопления нелинейного фазового сдвига, он уменьшает общий B-интеграл системы усиления. Этот подход уравновешивает длину SCF и длину самофокусировки, тем самым снижая риски самофокусировки. Используя дискретную монокристаллическую волоконную структуру, эта работа успешно преодолевает давние-проблемы подавления нелинейных эффектов и повышения эффективности усиления фемтосекундного лазера с длиной волны 2 мкм. Он достигает значительного прорыва в производительности лазера благодаря высокоэффективной, структурно упрощенной схеме усиления.
В этой работе демонстрируется метод прямого усиления фемтосекундных лазеров с длиной волны 2 мкм, обеспечивающий новый технический путь для разработки компактных, эффективных и высокопроизводительных сверхбыстрых лазеров с длиной волны 2 мкм. Будущие усилия будут включать методы выбора импульса и пост-сжатия для достижения более высокой энергии одиночного-импульса и более короткой ширины импульса.
