Zichtbaar licht van minder dan 20 femtosecondeninstelbare gepulseerde laserbron
Onlangs heeft een onderzoeksteam uit het Verenigd Koninkrijk een innovatieve studie gepubliceerd, waarin werd aangekondigd dat ze met succes een afstembare zichtbaar licht-sensor met een megawatt-niveau van minder dan 20 femtoseconden hebben ontwikkeld.gepulste laserbronDeze gepulseerde laserbron, ultrasnelvezellaserHet systeem kan pulsen genereren met instelbare golflengten, ultrakorte duurtijden, energieën tot wel 39 nanojoule en piekvermogens van meer dan 2 megawatt. Hierdoor ontstaan er geheel nieuwe toepassingsmogelijkheden in vakgebieden als ultrakorte spectroscopie, biologische beeldvorming en industriële verwerking.
Het belangrijkste hoogtepunt van deze technologie ligt in de combinatie van twee geavanceerde methoden: "Gain-Managed non-linear Amplification (GMNA)" en "Resonant Dispersive Wave (RDW)-emissie". Voorheen waren voor het verkrijgen van dergelijke hoogwaardige, afstembare ultrakorte pulsen doorgaans dure en complexe titanium-saffierlasers of optische parametrische versterkers nodig. Deze apparaten waren niet alleen duur, omvangrijk en moeilijk te onderhouden, maar werden ook beperkt door lage herhalingsfrequenties en afstembereiken. De volledig glasvezeloplossing die deze keer is ontwikkeld, vereenvoudigt niet alleen de systeemarchitectuur aanzienlijk, maar verlaagt ook de kosten en complexiteit aanzienlijk. Het maakt de directe generatie mogelijk van hoogvermogenpulsen van minder dan 20 femtoseconden, afstembaar op 400 tot 700 nanometer en hoger, met een hoge herhalingsfrequentie van 4,8 MHz. Het onderzoeksteam bereikte deze doorbraak dankzij een nauwkeurig ontworpen systeemarchitectuur. Ten eerste gebruikten ze een volledig polarisatiebehoudende, mode-locked ytterbiumvezeloscillator gebaseerd op een niet-lineaire versterkingsringspiegel (NALM) als seedbron. Dit ontwerp garandeert niet alleen de stabiliteit van het systeem op lange termijn, maar vermijdt ook het degradatieprobleem van fysiek verzadigde absorbers. Na voorversterking en pulscompressie worden de seedpulsen in de GMNA-trap geïntroduceerd. GMNA maakt gebruik van zelffasemodulatie en longitudinale asymmetrische versterkingsverdeling in optische vezels om spectrale verbreding te bereiken en ultrakorte pulsen te genereren met een bijna perfect lineair chirp, die uiteindelijk via roosterparen worden gecomprimeerd tot minder dan 40 femtoseconden. Tijdens de RDW-generatiefase gebruikten onderzoekers zelfontworpen en gefabriceerde antiresonantievezels met holle kern en negen resonatoren. 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 verspreide golf kan worden omgezet en de interferentie door de resonantieband met hoog verlies wordt vermeden. Onder optimale omstandigheden kan de energie-output van de dispersiegolfpuls van het systeem 39 nanojoule bereiken, de kortste pulsbreedte 13 femtoseconden, het piekvermogen 2,2 megawatt en de energieomzettingsefficiëntie 13%. Nog spannender is dat het systeem, door de gasdruk en vezelparameters aan te passen, eenvoudig kan worden uitgebreid naar de ultraviolet- en infraroodband, waardoor een breedbandafstemming van diep ultraviolet tot infrarood mogelijk is.
Dit onderzoek is niet alleen van groot belang binnen het fundamentele vakgebied van de fotonica, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor industriële toepassingen. Bijvoorbeeld in domeinen zoals multifotonmicroscopie, ultrasnelle tijdsopgeloste spectroscopie, materiaalbewerking, precisiegeneeskunde en onderzoek naar ultrasnelle niet-lineaire optica, biedt dit compacte, efficiënte en goedkope nieuwe type ultrasnelle lichtbron gebruikers ongekende mogelijkheden en flexibiliteit. Vooral in scenario's die hoge herhalingsfrequenties, piekvermogens en ultrakorte pulsen vereisen, is deze technologie ongetwijfeld concurrerender en heeft ze een groter promotiepotentieel dan 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 één Mamyshev-oscillator te gebruiken ter vervanging van de huidige combinatie van oscillator en versterker, om miniaturisatie en integratie van het systeem te bereiken. Bovendien zal dit systeem naar verwachting worden uitgebreid naar een bredere bandbreedte, door zich aan te passen aan verschillende soorten antiresonantievezels, door Raman-actieve gassen en frequentieverdubbelingsmodules te introduceren. Dit systeem zal naar verwachting worden uitgebreid naar een bredere bandbreedte en breedbandige, ultrasnelle laseroplossingen met volledige glasvezeltechnologie bieden voor diverse toepassingen, zoals ultraviolet, zichtbaar licht en infrarood.
Figuur 1. Schematisch diagram van de afstemming van de gepulste laser
Geplaatst op: 28 mei 2025