Видимый свет длиной менее 20 фемтосекундперестраиваемый импульсный лазерный источник
Недавно исследовательская группа из Великобритании опубликовала инновационное исследование, в котором сообщается, что им удалось успешно разработать настраиваемый мегаваттный лазер с длиной волны менее 20 фемтосекунд в видимом свете.импульсный лазерный источникЭтот импульсный лазерный источник, сверхбыстрыйволоконный лазерСистема способна генерировать импульсы с настраиваемой длиной волны, сверхкороткой длительностью, энергией до 39 наноджоулей и пиковой мощностью более 2 мегаватт, что открывает совершенно новые перспективы применения в таких областях, как сверхбыстрая спектроскопия, биологическая визуализация и промышленная обработка.
Основная изюминка этой технологии заключается в сочетании двух передовых методов: «нелинейного усиления с управляемым коэффициентом усиления (GMNA)» и «резонансного дисперсионного излучения (RDW)». Раньше для получения таких высокопроизводительных 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 ограничены низкой частотой повторения и диапазоном перестройки. Полностью волоконное решение, разработанное в этот раз, не только значительно упрощает архитектуру системы, но и значительно снижает затраты и сложность. Оно позволяет напрямую генерировать мощные импульсы длительностью менее 20 фемтосекунд, перестраиваемые до 400–700 нанометров и более, с высокой частотой повторения 4,8 МГц. Исследовательская группа достигла этого прорыва благодаря точно спроектированной архитектуре системы. Во-первых, в качестве источника затравочного излучения они использовали полностью сохраняющий поляризацию иттербиевый волоконный генератор с синхронизацией мод на основе нелинейного кольцевого зеркала усиления (NALM). Такая конструкция не только обеспечивает долговременную стабильность системы, но и позволяет избежать проблемы деградации, связанной с физическим насыщением поглотителей. После предварительного усиления и сжатия импульсов затравочные импульсы подаются в каскад GMNA. GMNA использует фазовую самомодуляцию и продольное асимметричное распределение усиления в оптических волокнах для достижения спектрального уширения и генерации сверхкоротких импульсов с практически идеальным линейным чирпом, которые в конечном итоге сжимаются до длительности менее 40 фемтосекунд с помощью пар решеток. На этапе генерации RDW исследователи использовали разработанные и изготовленные ими девятирезонаторные антирезонансные полые волокна. Этот тип оптического волокна обладает чрезвычайно низкими потерями в полосе импульсов накачки и видимом диапазоне, что позволяет эффективно преобразовывать энергию накачки в рассеянную волну и избегать помех, вызванных резонансной полосой с высокими потерями. В оптимальных условиях выходная энергия импульса дисперсионной волны системы может достигать 39 наноджоулей, минимальная длительность импульса — 13 фемтосекунд, пиковая мощность — 2,2 мегаватт, а эффективность преобразования энергии — 13%. Ещё более интересным является то, что, регулируя давление газа и параметры волокна, систему можно легко расширить до ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, достигая широкополосной настройки от глубокого ультрафиолета до инфракрасного.
Это исследование не только имеет важное значение для фундаментальной области фотоники, но и открывает новые возможности для промышленных и прикладных областей. Например, в таких областях, как многофотонная микроскопия, сверхбыстрая спектроскопия с временным разрешением, обработка материалов, прецизионная медицина и сверхбыстрые исследования в области 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 продвижения по сравнению с традиционными системами на основе титана-сапфира или оптического параметрического усиления.
В будущем исследовательская группа планирует продолжить оптимизацию системы, например, интегрировав текущую архитектуру, содержащую несколько оптических компонентов в свободном пространстве, в оптические волокна или даже заменив существующую комбинацию генератора и усилителя одним генератором Мамышева, чтобы добиться миниатюризации и интеграции системы. Кроме того, благодаря адаптации к различным типам антирезонансных волокон, использованию рамановских активных газов и модулей удвоения частоты, ожидается расширение диапазона этой системы, что позволит создать полностью волоконные, широкополосные, сверхбыстрые лазерные решения для различных областей, таких как ультрафиолет, видимый свет и инфракрасный диапазон.
Рисунок 1. Принципиальная схема настройки импульсного лазера
Время публикации: 28 мая 2025 г.