Прорыв! Самая мощная в мире 3 мкм средняя инфракрасная область спектрафемтосекундный волоконный лазер
Волоконный лазерЧтобы достичь выходного сигнала лазера в среднем инфракрасном диапазоне, первым шагом является выбор подходящего материала матрицы волокна. В волоконных лазерах ближнего инфракрасного диапазона матрица из кварцевого стекла является наиболее распространенным материалом матрицы волокна с очень низкими потерями при передаче, надежной механической прочностью и превосходной стабильностью. Однако из-за высокой энергии фононов (1150 см-1) кварцевое волокно не может быть использовано для передачи лазера в среднем инфракрасном диапазоне. Чтобы добиться низких потерь при передаче лазера в среднем инфракрасном диапазоне, нам необходимо повторно выбрать другие материалы матрицы волокна с более низкой энергией фононов, такие как матрица из сульфидного стекла или матрица из фторидного стекла. Сульфидное волокно имеет самую низкую энергию фононов (около 350 см-1), но у него есть проблема в том, что концентрация легирования не может быть увеличена, поэтому оно не подходит для использования в качестве усиливающего волокна для генерации лазера в среднем инфракрасном диапазоне. Хотя подложка из фторидного стекла имеет несколько более высокую энергию фононов (550 см⁻¹), чем подложка из сульфидного стекла, она также обеспечивает низкое поглощение для лазеров среднего инфракрасного диапазона с длинами волн менее 4 мкм. Что ещё более важно, подложка из фторидного стекла позволяет достичь высокой концентрации легирования редкоземельными ионами, что может обеспечить усиление, необходимое для генерации лазеров среднего инфракрасного диапазона. Например, наиболее развитое фторидное волокно ZBLAN для Er3+ способно обеспечить концентрацию легирования до 10 моль. Таким образом, матрица из фторидного стекла является наиболее подходящим материалом для волоконных лазеров среднего инфракрасного диапазона.
Недавно группа профессоров Руань Шуанчэня и Го Чуньюй из Шэньчженского университета разработала мощный фемтосекундныйимпульсный волоконный лазерСостоит из 2,8-мкм волоконного генератора Er:ZBLAN с синхронизацией мод, одномодового волоконного предусилителя Er:ZBLAN и основного усилителя на основе волоконного Er:ZBLAN с большим модовым полем.
На основе теории самокомпрессии и усиления сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона, управляемых состоянием поляризации, и результатов численного моделирования, полученных нашей исследовательской группой, в сочетании с методами нелинейного подавления и управления модами крупномодового оптического волокна, технологией активного охлаждения и усилительной структурой двухтактной накачки, система обеспечивает выход сверхкоротких импульсов с длиной волны 2,8 мкм, средней мощностью 8,12 Вт и длительностью импульса 148 фемтосекунд. Международный рекорд максимальной средней мощности, достигнутый этой исследовательской группой, был вновь обновлен.
Рисунок 1. Структурная схема волоконного лазера Er:ZBLAN на основе структуры MOPA
Структурафемтосекундный лазерСистема показана на рисунке 1. В качестве усилительного волокна в предусилителе использовалось одномодовое двухоболочечное волокно Er:ZBLAN длиной 3,1 м с концентрацией легирования 7 мол.% и диаметром сердцевины 15 мкм (NA = 0,12). В основном усилителе в качестве усилительного волокна использовалось двухоболочечное крупномодовое волокно Er:ZBLAN длиной 4 м с концентрацией легирования 6 мол.% и диаметром сердцевины 30 мкм (NA = 0,12). Больший диаметр сердцевины обеспечивает меньший нелинейный коэффициент усиления и позволяет выдерживать более высокую пиковую мощность и импульсный выход с большей энергией. Оба конца усилительного волокна припаяны к контактному колпачку из AlF3.
Время публикации: 19 февраля 2024 г.