видимый свет длительностью менее 20 фемтосекундперестраиваемый импульсный лазерный источник
Недавно исследовательская группа из Великобритании опубликовала инновационное исследование, объявив об успешной разработке перестраиваемого источника видимого света мегаваттного уровня длительностью менее 20 фемтосекунд.импульсный лазерный источникЭтот импульсный лазерный источник, сверхбыстрыйволоконный лазерСистема способна генерировать импульсы с перестраиваемой длиной волны, сверхкороткой длительностью, энергией до 39 наноджоулей и пиковой мощностью, превышающей 2 мегаватта, что открывает совершенно новые перспективы применения в таких областях, как сверхбыстрая спектроскопия, биологическая визуализация и промышленная обработка.
Главная особенность этой технологии заключается в сочетании двух передовых методов: «управляемого усилением нелинейного излучения (GMNA)» и «резонансного дисперсионного волнового излучения (RDW)». В прошлом для получения таких высокоэффективных перестраиваемых сверхкоротких импульсов обычно требовались дорогостоящие и сложные титан-сапфировые лазеры или оптические параметрические усилители. Эти устройства были не только дорогими, громоздкими и сложными в обслуживании, но и ограничивались низкими частотами повторения и диапазонами перестройки. Разработанное на этот раз полностью волоконно-оптическое решение не только значительно упрощает архитектуру системы, но и существенно снижает затраты и сложность. Оно позволяет напрямую генерировать импульсы длительностью менее 20 фемтосекунд, перестраиваемые в диапазоне от 400 до 700 нанометров и более, высокой частоты повторения 4,8 МГц. Исследовательская группа достигла этого прорыва благодаря точно спроектированной архитектуре системы. Во-первых, в качестве источника затравки они использовали полностью сохраняющий поляризацию генератор на основе иттербиевого волокна с синхронизацией мод и нелинейным усилением с помощью кольцевого зеркала (NALM). Такая конструкция не только обеспечивает долговременную стабильность системы, но и позволяет избежать проблем деградации, связанных с физическими насыщенными поглотителями. После предварительного усиления и сжатия импульсов затравочные импульсы подаются на этап GMNA. GMNA использует самофазовую модуляцию и продольное асимметричное распределение усиления в оптических волокнах для достижения спектрального расширения и генерации сверхкоротких импульсов с почти идеальной линейной частотной модуляцией, которые в конечном итоге сжимаются до значений менее 40 фемтосекунд с помощью пар решеток. На этапе генерации RDW исследователи использовали разработанные и изготовленные ими самими девятирезонаторные антирезонансные волокна с полым сердечником. Этот тип оптического волокна имеет чрезвычайно низкие потери в полосе импульсов накачки и в видимой области спектра, что позволяет эффективно преобразовывать энергию от накачки к диспергированной волне и избегать интерференции, вызванной резонансной полосой с высокими потерями. В оптимальных условиях выходная энергия импульса дисперсионной волны, создаваемого системой, может достигать 39 наноджоулей, минимальная ширина импульса — 13 фемтосекунд, пиковая мощность — 2,2 мегаватта, а эффективность преобразования энергии — 13%. Еще более впечатляет то, что, регулируя давление газа и параметры волокна, систему можно легко расширить до ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, обеспечивая широкополосную настройку от глубокого ультрафиолета до инфракрасного излучения.
Данное исследование имеет важное значение не только в фундаментальной области фотоники, но и открывает новые возможности для промышленного и прикладного применения. Например, в таких областях, как многофотонная микроскопия, сверхбыстрая времяразрешенная спектроскопия, обработка материалов, прецизионная медицина и сверхбыстрые исследования нелинейной оптики, этот компактный, эффективный и недорогой новый тип сверхбыстрого источника света предоставит пользователям беспрецедентные инструменты и гибкость. Особенно в сценариях, требующих высокой частоты повторения, пиковой мощности и сверхкоротких импульсов, эта технология, несомненно, более конкурентоспособна и имеет больший потенциал развития по сравнению с традиционными титан-сапфировыми или оптическими параметрическими системами усиления.
В будущем исследовательская группа планирует进一步 оптимизировать систему, например, интегрировать существующую архитектуру, содержащую множество оптических компонентов свободного пространства, в оптические волокна или даже использовать один генератор Мамышева для замены существующей комбинации генератора и усилителя, чтобы добиться миниатюризации и интеграции системы. Кроме того, за счет адаптации к различным типам антирезонансных волокон, внедрения рамановских активных газов и модулей удвоения частоты, ожидается расширение диапазона действия системы, что позволит создать полностью волоконно-оптические, широкополосные, сверхбыстрые лазерные решения для различных областей, таких как ультрафиолетовое, видимое излучение и инфракрасное излучение.
Рисунок 1. Схема настройки импульсного лазера.
Дата публикации: 28 мая 2025 г.