Läpimurto! Maailman tehokkain 3 μm:n keski-infrapuna-alueen femtosekuntikuitulaser

Läpimurto! Maailman tehokkain 3 μm:n keski-infrapunafemtosekunttikuitulaser

KuitulaserKeski-infrapunalaserin tehon saavuttamiseksi ensimmäinen vaihe on valita sopiva kuitumatriisimateriaali. Lähi-infrapunakuitulasereissa kvartsilasimatriisi on yleisin kuitumatriisimateriaali, jolla on erittäin pieni läpäisyhäviö, luotettava mekaaninen kestävyys ja erinomainen stabiilius. Korkean fononienergian (1150 cm⁻¹) vuoksi kvartsikuitua ei kuitenkaan voida käyttää keski-infrapunalaserin läpäisyyn. Keski-infrapunalaserin vähähäviöisen läpäisyn saavuttamiseksi on valittava muita kuitumatriisimateriaaleja, joilla on pienempi fononienergia, kuten sulfidilasimatriisi tai fluoridilasimatriisi. Sulfidikuidulla on pienin fononienergia (noin 350 cm⁻¹), mutta sen ongelmana on, että dopingpitoisuutta ei voida lisätä, joten se ei sovellu käytettäväksi vahvistuskuituna keski-infrapunalaserin tuottamiseen. Vaikka fluoridilasisubstraatilla on hieman korkeampi fononienergia (550 cm⁻¹) kuin sulfidilasisubstraatilla, se voi myös saavuttaa vähähäviöisen läpäisyn alle 4 μm:n aallonpituuksilla olevilla keski-infrapunalasereilla. Vielä tärkeämpää on, että fluoridilasitekstiili voi saavuttaa korkean harvinaisten maametallien ionien seostuspitoisuuden, mikä voi tarjota keski-infrapunalaserin generoimiseen tarvittavan vahvistuksen. Esimerkiksi kypsin Er3+-fluoridi-ZBLAN-kuitu on pystynyt saavuttamaan jopa 10 mol:n seostuspitoisuuden. Siksi fluoridilasitekstiili on sopivin kuitumatriisimateriaali keski-infrapunakuitulasereille.

Äskettäin Shenzhenin yliopiston professori Ruan Shuangchenin ja professori Guo Chunyun ryhmä kehitti tehokkaan femtosekuntianturin.pulssikuitulaserKoostuu 2,8 μm:n moodilukitusta Er:ZBLAN-kuituoskillaattorista, yksimuotoisesta Er:ZBLAN-kuituesivahvistimesta ja laajamuotoisesta Er:ZBLAN-kuitupäävahvistimesta.
Tutkimusryhmämme polarisaatiotilan ohjaaman keski-infrapuna-alueen ultralyhyiden pulssien itsepuristumis- ja vahvistusteorian sekä numeerisen simulointityön avulla tehdyn työn, yhdistettynä laajamuotoisen optisen kuidun epälineaarisiin vaimennus- ja moodisäätömenetelmiin, aktiiviseen jäähdytystekniikkaan ja kaksipäisen pumpun vahvistusrakenteeseen, järjestelmä tuottaa 2,8 μm:n ultralyhyitä pulsseja, joiden keskimääräinen teho on 8,12 W ja pulssinleveys 148 fs. Tutkimusryhmän saavuttamaa kansainvälistä ennätystä korkeimmasta keskimääräisestä tehosta päivitettiin edelleen.

Kuva 1. Er:ZBLAN-kuitulaserin rakennekaavio MOPA-rakenteeseen perustuen
RakennefemtosekuntilaserillaJärjestelmä on esitetty kuvassa 1. Esivahvistimessa vahvistuskuituna käytettiin 3,1 metrin pituista yksimuotoista, kaksoispäällystettyä Er:ZBLAN-kuitua, jonka seostuspitoisuus oli 7 mol.% ja ytimen halkaisija 15 μm (NA = 0,12). Päävahvistimessa vahvistuskuituna käytettiin 4 metrin pituista, kaksoispäällystettyä laajamuotoista Er:ZBLAN-kuitua, jonka seostuspitoisuus oli 6 mol.% ja ytimen halkaisija 30 μm (NA = 0,12). Suurempi ytimen halkaisija antaa vahvistuskuidulle alhaisemman epälineaarisen kertoimen ja kestää suurempaa huipputehoa ja suurempien pulssienergioiden pulssilähtöä. Vahvistuskuidun molemmat päät on sulatettu AlF3-liitinkanteen.