Zichtbaar licht met een tijdsverschil van minder dan 20 femtoseconde.afstembaar gepulseerd laserbron
Onlangs publiceerde een onderzoeksteam uit het Verenigd Koninkrijk een innovatieve studie waarin ze aankondigden dat ze met succes een afstembaar, megawatt-niveau, sub-20 femtoseconde zichtbaar licht-afstembaar systeem hebben ontwikkeld.gepulseerde laserbronDeze gepulseerde laserbron is ultrasnel.vezellaserHet systeem is in staat pulsen te genereren met instelbare golflengtes, ultrakorte duur, energieën tot wel 39 nanojoule en piekvermogens van meer dan 2 megawatt, waardoor geheel nieuwe toepassingsmogelijkheden ontstaan voor gebieden zoals ultrasnelle spectroscopie, biologische beeldvorming en industriële processen.
De kern van deze technologie ligt in de combinatie van twee geavanceerde methoden: "Gain-Managed nonlinear Amplification (GMNA)" en "Resonant Dispersive Wave (RDW) emissie". In het verleden waren voor het verkrijgen van dergelijke hoogwaardige, afstemmbare ultrakorte pulsen doorgaans dure en complexe titanium-saffierlasers of optische parametrische versterkers nodig. Deze apparaten waren niet alleen kostbaar, omvangrijk en moeilijk te onderhouden, maar hadden ook beperkingen door lage herhalingsfrequenties en afstembereiken. De nu ontwikkelde volledig vezelgebaseerde oplossing vereenvoudigt niet alleen de systeemarchitectuur aanzienlijk, maar reduceert ook de kosten en complexiteit sterk. Het maakt de directe generatie mogelijk van pulsen met een duur van minder dan 20 femtoseconden, afstembaar tot 400 tot 700 nanometer en verder, met een hoog vermogen en een hoge herhalingsfrequentie van 4,8 MHz. Het onderzoeksteam heeft deze doorbraak bereikt door een nauwkeurig ontworpen systeemarchitectuur. Ten eerste gebruikten ze een volledig polarisatiebehoudende, mode-locked ytterbiumvezeloscillator gebaseerd op een niet-lineaire versterkende ringspiegel (NALM) als zaadbron. Dit ontwerp garandeert niet alleen de stabiliteit van het systeem op de lange termijn, maar voorkomt ook het degradatieprobleem van fysiek verzadigde absorbeerders. Na voorversterking en pulscompressie worden de zaadpulsen in de GMNA-fase geïntroduceerd. GMNA maakt gebruik van zelf-fasemodulatie en longitudinale asymmetrische versterkingsverdeling in optische vezels om spectrale verbreding te bereiken en ultrakorte pulsen te genereren met een bijna perfecte lineaire chirp, die uiteindelijk worden gecomprimeerd tot minder dan 40 femtoseconden door middel van roosterparen. Tijdens de RDW-generatiefase gebruikten de onderzoekers zelfontworpen en -gefabriceerde negenresonator anti-resonantie hollevezels. Dit type optische vezel heeft een extreem laag verlies in de pomppulsband en het zichtbare lichtgebied, waardoor de energie efficiënt van de pomp naar de gedispergeerde golf kan worden omgezet en interferentie door de resonantieband met hoog verlies wordt vermeden. Onder optimale omstandigheden kan de dispersiegolfpulsenergie van het systeem oplopen tot 39 nanojoule, de kortste pulsbreedte tot 13 femtoseconde, het piekvermogen tot wel 2,2 megawatt en het energieomzettingsrendement tot 13%. Nog interessanter is dat het systeem, door aanpassing van de gasdruk en de vezelparameters, eenvoudig kan worden uitgebreid naar de ultraviolette en infrarode banden, waardoor een breedbandafstemming van diep ultraviolet tot infrarood mogelijk is.
Dit onderzoek is niet alleen van groot belang voor het fundamentele vakgebied van de fotonica, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor de industrie en toepassingen. Zo biedt deze compacte, efficiënte en goedkope nieuwe ultrasnelle lichtbron gebruikers ongekende mogelijkheden en flexibiliteit op gebieden zoals meerfotonenmicroscopie, ultrasnelle tijdresolutiespectroscopie, materiaalbewerking, precisiegeneeskunde en onderzoek naar ultrasnelle niet-lineaire optica. Met name in scenario's die hoge herhalingsfrequenties, piekvermogen en ultrakorte pulsen vereisen, is deze technologie ongetwijfeld concurrerender en heeft ze een groter potentieel voor verdere ontwikkeling in vergelijking met traditionele titanium-saffier- of optische parametrische versterkingssystemen.
In de toekomst is het onderzoeksteam van plan het systeem verder te optimaliseren, bijvoorbeeld door de huidige architectuur met meerdere optische componenten in de vrije ruimte te integreren in optische vezels, of zelfs door de huidige combinatie van oscillator en versterker te vervangen door een enkele Mamyshev-oscillator, om zo miniaturisatie en integratie van het systeem te realiseren. Daarnaast zal het systeem, door aanpassing aan verschillende soorten antiresonantievezels, de introductie van Raman-actieve gassen en frequentieverdubbelingsmodules, naar verwachting worden uitgebreid naar een bredere bandbreedte, waardoor volledig vezelgebaseerde, breedbandige, ultrasnelle laseroplossingen beschikbaar komen voor diverse toepassingsgebieden zoals ultraviolet, zichtbaar licht en infrarood.
Figuur 1. Schematisch diagram van de afstemming van de gepulseerde laser.
Geplaatst op: 28 mei 2025