Femtosekundni laserji delujejo kot zelo natančni "optični skalpeli", ki igrajo nenadomestljivo vlogo pri preciznih strojnih obdelavah, medicinski kirurgiji, spektralnem zaznavanju in znanstvenih raziskavah. Zlasti v pasu valovne dolžine 2 μm ti laserji pokrivajo več nivojev molekulske vibracijske energije in se prekrivajo z absorpcijskimi vrhovi različnih amino spojin in bioloških tkiv. Posledično so njihove zahteve glede uporabe še posebej nujne na področjih, kot sta obdelava ne-kovinskih materialov in biomedicinski inženiring.
Vendar pa je ojačanje šibkih femtosekundnih začetnih laserjev na visoko moč izjemno težko. Ključni izziv je v intenzivnih nelinearnih interakcijah med izjemno visoko optično intenzivnostjo femtosekundnega impulza in ojačevalnim medijem med ojačanjem. Poleg tega lahko resni toplotni učinki pri visokih stopnjah ponavljanja poslabšajo kakovost žarka, povzročijo popačenje impulza in celo poškodujejo optične komponente. Obstoječe rešitve uporabljajo predvsem tehnologijo ojačanja impulza s čirpanjem (CPA), ki vključuje najprej časovno razširitev impulza (zmanjšanje konične moči), ojačanje laserske energije na določeno raven in nato njeno stiskanje nazaj. Vendar je ta sistem zapleten, drag in zajeten. Zato je zmožnost odprave korakov razširitve in stiskanja ter doseganje "neposrednega ojačanja" 2 μm femtosekundnih impulzov ob ohranjanju preproste, kompaktne strukture in močne zmožnosti upravljanja z močjo postala raziskovalna vroča točka na področju tehnologije ojačanja.
Femtosekundni laserski ojačevalnik, ki temelji na "diskretnem" 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 %) in skoraj{1}}uklonsko-omejeno kakovost žarka (M² < 1,2). Študija dokazuje, da diskretna postavitev SCF bistveno zmanjša kumulativni nelinearni fazni premik, učinkovito zatira škodljive nelinearne učinke in zagotavlja stabilno spektralno in časovno evolucijo med ojačanjem. Ta preprost, kompakten in učinkovit pristop omogoča ojačitev 2 μm ultrakratkih impulzov pri stopnjah ponavljanja od MHz do kHz, s čimer odpira nove poti za doseganje visoke povprečne/konične moči in izkazuje ogromen potencial za sodobne aplikacije nelinearne fotonike.
Struktura tega ojačevalnega sistema Ho:YAG SCF, kot je prikazano na sliki 1, obsega izvor laserskega semena, predojačevalno stopnjo in ojačevalno stopnjo (sestavljeno iz treh serijsko-povezanih 0,5 % dopiranih Ho:YAG SCF). Izvor laserskega semena zagotavlja povprečno moč 0,45 W pri 2091 nm, s časovno širino impulza 360 fs in hitrostjo ponavljanja 75,45 MHz. Po prehodu skozi stopnjo predojačevalnika in tandemsko stopnjo SCF ojačevalnika moči se povprečna moč poveča na 56,3 W, časovni impulz pa se razširi na 778 fs. Spektralne značilnosti in časovni razvoj končnega izhodnega impulza iz celotnega ojačevalnega sistema so prikazani na sliki 2.
Slika 1 Shema ojačitvenega sistema Ho:YAG SCF
Slika 2 Spektralni in časovni razvoj Ho:YAG SCF ojačevalnega sistema
Pri običajnih tehnikah ojačanja neposredno ojačanje femtosekundnih impulzov trpi zaradi popačenja impulza in degradacije žarka zaradi učinkov samo-ostrenja, ki jih sprožijo močni nelinearni fazni premiki. Ta omejitev omejuje ojačevalnike v razsutem stanju/optičnih vlaken na delovanje samo v območju pikosekundnega impulza. To zahteva sisteme ojačevanja čirpanega impulza (CPA), ki temeljijo na raztezanju in stiskanju impulza. Medtem ko lahko sistemi z optičnim parametričnim ojačanjem impulza s čirpanjem (OPCPA) dosežejo milivat-energijo impulza pri frekvencah ponavljanja kHz, toplotni učinki omejujejo izboljšave povprečne moči in učinkovitosti. Medtem ko optični -sistemi CPA ponujajo izrazite prednosti pri visoki povprečni moči in visoki kakovosti žarka, je njihova izhodna energija/konična moč omejena z nelinearnimi učinki in optičnimi poškodbami. Posledično se obstoječe tehnologije trudijo hkrati optimizirati tri ključne metrike delovanja: moč, hitrost ponavljanja in širino impulza. Ta študija na inovativen način predlaga diskretno konfiguracijo serije Ho:YAG SCF. S segmentno prekinitvijo neprekinjene poti kopičenja nelinearnega faznega premika zmanjša skupni B-integral ojačevalnega sistema. Ta pristop uravnoteži dolžino SCF z dolžino samo{12}}ostrenja, s čimer zmanjša tveganje samo{13}}ostrenja. Z uporabo diskretne eno-kristalne vlaknene strukture to delo uspešno premaguje dolgoletne-izzive zatiranja nelinearnega učinka in izboljšanja učinkovitosti pri 2 μm femtosekundnem laserskem ojačanju. Z zelo učinkovito, strukturno poenostavljeno shemo ojačevanja dosega pomembne preboje v laserski zmogljivosti.
To delo prikazuje tehniko neposrednega ojačanja za 2 μm femtosekundne laserje, ki zagotavlja novo tehnično pot za razvoj kompaktnih, učinkovitih in visoko{1}}zmogljivih 2 μm ultrahitrih laserjev. Prihodnja prizadevanja bodo vključevala izbiro impulzov in post-kompresijske tehnike za doseganje višje energije posameznega-impulza in krajših širin impulzov.
