Видиме світло з хвилею менше 20 фемтосекунднастроюване імпульсне лазерне джерело
Нещодавно дослідницька група з Великої Британії опублікувала інноваційне дослідження, в якому оголосила про успішну розробку налаштованого джерела видимого світла потужністю мегават менш ніж 20 фемтосекунд.імпульсне лазерне джерелоЦе імпульсне лазерне джерело, надшвидкеволоконний лазерСистема здатна генерувати імпульси з налаштовуваними довжинами хвиль, надкороткою тривалістю, енергією до 39 наноджоулів та піковою потужністю понад 2 мегавати, що відкриває абсолютно нові перспективи застосування в таких галузях, як надшвидка спектроскопія, біологічна візуалізація та промислова обробка.
Основна особливість цієї технології полягає в поєднанні двох передових методів: «керованого нелінійного посилення з коефіцієнтом підсилення (GMNA)» та «випромінювання резонансної дисперсійної хвилі (RDW)». У минулому для отримання таких високопродуктивних настроюваних ультракоротких імпульсів зазвичай потрібні були дорогі та складні титан-сапфірові лазери або оптичні параметричні підсилювачі. Ці пристрої були не тільки дорогими, громіздкими та складними в обслуговуванні, але й обмеженими низькою частотою повторення та діапазонами налаштування. Повністю волоконне рішення, розроблене цього разу, не тільки значно спрощує архітектуру системи, але й значно знижує витрати та складність. Воно дозволяє безпосередньо генерувати потужні імпульси тривалістю менше 20 фемтосекунд, настроювані на 400-700 нанометрів і вище, з високою частотою повторення 4,8 МГц. Дослідницька група досягла цього прориву завдяки точно розробленій архітектурі системи. По-перше, вони використали повністю збережений поляризацію волоконний генератор на основі нелінійного кільцевого дзеркала посилення (NALM) як джерело початкового сигналу. Така конструкція не тільки забезпечує довгострокову стабільність системи, але й дозволяє уникнути проблеми деградації фізичних насичених поглиначів. Після попереднього підсилення та стиснення імпульсів, початкові імпульси вводяться в каскад GMNA. GMNA використовує фазову самомодуляцію та поздовжній асиметричний розподіл посилення в оптичних волокнах для досягнення спектрального розширення та генерації ультракоротких імпульсів з майже ідеальним лінійним чирпом, які зрештою стискаються до менш ніж 40 фемтосекунд за допомогою парних решіток. Під час етапу генерації RDW дослідники використовували самостійно розроблені та виготовлені дев'ятирезонансні антирезонансні порожнисті волокна. Цей тип оптичного волокна має надзвичайно низькі втрати в смузі імпульсів накачування та області видимого світла, що дозволяє ефективно перетворювати енергію з накачування в розсіяну хвилю та уникати перешкод, спричинених резонансною смугою з високими втратами. За оптимальних умов енергія імпульсу дисперсійної хвилі, що випромінюється системою, може досягати 39 наноджоулів, найкоротша тривалість імпульсу може досягати 13 фемтосекунд, пікова потужність може сягати 2,2 мегавата, а ефективність перетворення енергії може сягати 13%. Ще більш захоплюючим є те, що, регулюючи тиск газу та параметри волокна, систему можна легко розширити на ультрафіолетовий та інфрачервоний діапазони, досягаючи широкосмугового налаштування від глибокого ультрафіолету до інфрачервоного.
Це дослідження має не лише значну важливість у фундаментальній галузі фотоніки, але й відкриває нові можливості для промислової та прикладної галузей. Наприклад, у таких галузях, як багатофотонна мікроскопія, надшвидка спектроскопія з роздільною здатністю в часі, обробка матеріалів, прецизійна медицина та дослідження надшвидкої нелінійної оптики, цей компактний, ефективний та недорогий новий тип надшвидкого джерела світла надасть користувачам безпрецедентні інструменти та гнучкість. Особливо в сценаріях, що вимагають високої частоти повторення, пікової потужності та надкоротких імпульсів, ця технологія, безсумнівно, є більш конкурентоспроможною та має більший потенціал просування порівняно з традиційними титан-сапфіровими або оптичними параметричними системами посилення.
У майбутньому дослідницька група планує подальшу оптимізацію системи, наприклад, інтеграцію поточної архітектури, яка містить кілька оптичних компонентів у вільному просторі, в оптичні волокна або навіть використання одного генератора Мамишева для заміни поточної комбінації генератора та підсилювача, щоб досягти мініатюризації та інтеграції системи. Крім того, завдяки адаптації до різних типів антирезонансних волокон, впровадженню активних газів Рамана та модулів подвоєння частоти, очікується, що ця система буде розширена до ширшого діапазону, забезпечуючи повністю волоконні, широкосмугові, надшвидкісні лазерні рішення для різних галузей, таких як ультрафіолетове, видиме світло та інфрачервоне випромінювання.
Рисунок 1. Принципова схема налаштування імпульсного лазера
Час публікації: 28 травня 2025 р.