Alle 20 femtosekunnin näkyvä valoviritettävä pulssilaserlähde
Äskettäin brittiläinen tutkimusryhmä julkaisi innovatiivisen tutkimuksen, jossa se ilmoitti kehittäneensä onnistuneesti viritettävän megawattitason alle 20 femtosekunnin näkyvän valon viritettävän anturin.pulssilaserlähdeTämä pulssitettu laserlähde, erittäin nopeakuitulaserJärjestelmä pystyy tuottamaan viritettäviä aallonpituuksia, erittäin lyhyitä kestoja, jopa 39 nanojoulen energioita ja yli 2 megawatin huipputehoa omaavia pulsseja, mikä avaa aivan uusia sovellusmahdollisuuksia esimerkiksi ultranopealle spektroskopialle, biologiselle kuvantamiselle ja teolliselle prosessoinnille.
Tämän teknologian ydin on kahden huippuluokan menetelmän yhdistelmä: vahvistuksenhallintaan perustuva epälineaarinen vahvistus (GMNA) ja resonanssidispersiivinen aallonpäästö (RDW). Aikaisemmin tällaisten tehokkaiden viritettävien ultralyhyiden pulssien aikaansaamiseksi tarvittiin yleensä kalliita ja monimutkaisia titaanisafiirilasereita tai optisia parametrisia vahvistimia. Nämä laitteet olivat paitsi kalliita, tilaa vieviä ja vaikeasti ylläpidettäviä, myös niiden ylläpitoa rajoittivat alhaiset toistonopeudet ja viritysalueet. Tällä kertaa kehitetty kokonaan kuitua hyödyntävä ratkaisu ei ainoastaan yksinkertaista järjestelmäarkkitehtuuria merkittävästi, vaan myös vähentää kustannuksia ja monimutkaisuutta huomattavasti. Se mahdollistaa alle 20 femtosekunnin tehoisten, 400–700 nanometriin ja sitä korkeampiin tehopulsseihin viritettävän suurtehopulssin suoran generoinnin 4,8 MHz:n korkealla toistotaajuudella. Tutkimusryhmä saavutti tämän läpimurron tarkasti suunnitellun järjestelmäarkkitehtuurin avulla. Ensinnäkin he käyttivät siemenlähteenä täysin polarisaation säilyttävää moodilukittua ytterbiumkuituoskillaattoria, joka perustuu epälineaariseen vahvistusrengaspeiliin (NALM). Tämä rakenne ei ainoastaan varmista järjestelmän pitkäaikaista vakautta, vaan myös välttää fysikaalisesti saturoituneiden absorboijien aiheuttaman heikkenemisongelman. Esivahvistuksen ja pulssien kompressoinnin jälkeen siemenpulssit syötetään GMNA-vaiheeseen. GMNA hyödyntää itsevaihemodulaatiota ja pitkittäistä epäsymmetristä vahvistusjakaumaa optisissa kuiduissa saavuttaakseen spektrin levenemisen ja tuottaakseen lähes täydellisen lineaarisen sirin omaavia ultralyhyitä pulsseja, jotka lopulta kompressoidaan alle 40 femtosekuntiin hilaparien avulla. RDW-generointivaiheessa tutkijat käyttivät itse suunnittelemiaan ja valmistamiaan yhdeksän resonanssin antiresonanssionttoja. Tällaisella optisella kuidulla on erittäin pienet häviöt pumppauspulssikaistalla ja näkyvän valon alueella, mikä mahdollistaa energian tehokkaan muuntamisen pumppauksesta dispersioaaltoon ja välttää suuren häviön omaavan resonanssikaistan aiheuttamat häiriöt. Optimaalisissa olosuhteissa järjestelmän tuottama dispersioaaltopulssienergia voi olla 39 nanojoulea, lyhin pulssinleveys voi olla jopa 13 femtosekuntia, huipputeho voi olla jopa 2,2 megawattia ja energianmuunnostehokkuus voi olla jopa 13 %. Vielä jännittävämpää on, että säätämällä kaasunpainetta ja kuituparametreja järjestelmää voidaan helposti laajentaa ultravioletti- ja infrapunakaistoille, jolloin saavutetaan laajakaistainen viritys syvästä ultravioletista infrapunaan.
Tämä tutkimus ei ole ainoastaan merkittävä fotoniikan perustieteen alalla, vaan se avaa myös uuden tilanteen teollisuudelle ja sovelluksille. Esimerkiksi monifotonimikroskopiakuvantamisen, erittäin nopean aikaerotteisen spektroskopian, materiaalinkäsittelyn, tarkkuuslääketieteen ja erittäin nopean epälineaarisen optiikan tutkimuksen aloilla tämä kompakti, tehokas ja edullinen uudentyyppinen erittäin nopea valonlähde tarjoaa käyttäjille ennennäkemättömiä työkaluja ja joustavuutta. Erityisesti tilanteissa, jotka vaativat suuria toistonopeuksia, huipputehoa ja erittäin lyhyitä pulsseja, tämä teknologia on epäilemättä kilpailukykyisempi ja sillä on suurempi myynninedistämispotentiaali verrattuna perinteisiin titaani-safiiri- tai optisiin parametrisiin vahvistusjärjestelmiin.
Tulevaisuudessa tutkimusryhmä aikoo optimoida järjestelmää edelleen, kuten integroida nykyisen useita vapaan tilan optisia komponentteja sisältävän arkkitehtuurin optisiin kuituihin tai jopa käyttää yhtä Mamyshev-oskillaattoria korvaamaan nykyinen oskillaattori-vahvistinyhdistelmä järjestelmän pienentämiseksi ja integroimiseksi. Lisäksi sopeutumalla erityyppisiin resonanssinestokuituihin, ottamalla käyttöön Raman-aktiivisia kaasuja ja taajuuden kaksinkertaistamismoduuleja, tämän järjestelmän odotetaan laajenevan laajemmalle kaistalle, mikä tarjoaa täysin kuitupohjaisia, laajakaistaisia, ultranopeita laserratkaisuja useille aloille, kuten ultravioletti-, näkyvän valon ja infrapuna-alueelle.
Kuva 1. Pulssilaserin virityksen kaaviokuva
Julkaisun aika: 28.5.2025