I laser a femtosecondi funzionano come "bisturi ottici" altamente precisi, svolgendo un ruolo insostituibile nella lavorazione di precisione, nella chirurgia medica, nel rilevamento spettrale e nella ricerca scientifica. In particolare nella banda di lunghezza d'onda di 2 μm, questi laser coprono molteplici livelli di energia vibrazionale molecolare e si sovrappongono ai picchi di assorbimento di vari composti amminici e tessuti biologici. Di conseguenza, le loro richieste applicative sono particolarmente urgenti in campi come la lavorazione di materiali non metallici-e l'ingegneria biomedica.
Tuttavia, amplificare i deboli laser seed a femtosecondi ad alta potenza è eccezionalmente difficile. La sfida principale risiede nelle intense interazioni non lineari tra l'intensità ottica estremamente elevata dell'impulso al femtosecondo e il mezzo amplificante durante l'amplificazione. Inoltre, gravi effetti termici a frequenze di ripetizione elevate possono degradare la qualità del raggio, causare distorsioni degli impulsi e persino danneggiare i componenti ottici. Le soluzioni esistenti utilizzano principalmente la tecnologia di amplificazione dell’impulso chirped (CPA), che prevede innanzitutto l’ampliamento temporale dell’impulso (riducendo la potenza di picco), l’amplificazione dell’energia laser fino a un certo livello e quindi la compressione. Tuttavia, questo sistema è complesso, costoso e ingombrante. Pertanto, la capacità di eliminare le fasi di allargamento e compressione e ottenere "un'amplificazione diretta" di impulsi al femtosecondo da 2 μm mantenendo una struttura semplice e compatta e una forte capacità di gestione della potenza è diventata un punto caldo della ricerca nel campo della tecnologia di amplificazione.
Amplificatore laser a femtosecondi basato su SCF "discreto".
Recently, researchers including Wang Jianlei and Zhao Yongguang from the State Key Laboratory of Crystal Materials at Shandong University proposed an innovative B-integral (nonlinear phase shift) management strategy. By employing a discrete single-crystal fiber (SCF) configuration in the power amplification stage, they successfully achieved direct amplification of 2 μm femtosecond pulses at high repetition rates. The system achieved femtosecond laser output with an average power exceeding 56 W at a 75.45 MHz repetition rate, demonstrating exceptionally high optical-to-optical extraction efficiency (>55%) e qualità del raggio limitata-diffrazione-(M² < 1,2). Lo studio dimostra che il layout SCF discreto riduce significativamente lo sfasamento non lineare cumulativo, sopprimendo efficacemente gli effetti non lineari dannosi e garantendo un'evoluzione spettrale e temporale stabile durante l'amplificazione. Questo approccio semplice, compatto ed efficiente consente l'amplificazione di impulsi ultracorti da 2 μm con frequenze di ripetizione da MHz a kHz, aprendo nuove strade per ottenere una potenza media/di picco elevata e mostrando un immenso potenziale per le moderne applicazioni di fotonica non lineare.
La struttura di questo sistema di amplificazione Ho:YAG SCF, come mostrato nella Figura 1, comprende una sorgente laser seed, uno stadio preamplificatore e uno stadio amplificatore (costituito da tre SCF Ho:YAG drogati allo 0,5% collegati in serie). La sorgente laser seed eroga una potenza media di 0,45 W a 2091 nm, con un'ampiezza dell'impulso temporale di 360 fs e una velocità di ripetizione di 75,45 MHz. Dopo aver attraversato lo stadio preamplificatore e lo stadio amplificatore di potenza SCF tandem, la potenza media aumenta a 56,3 W e l'impulso temporale si allarga a 778 fs. Le caratteristiche spettrali e l'evoluzione temporale dell'impulso finale in uscita dall'intero sistema di amplificazione sono mostrate nella Figura 2.
Figura 1 Schema del sistema di amplificazione Ho:YAG SCF
Figura 2 Evoluzione spettrale e temporale del sistema di amplificazione Ho:YAG SCF
Nelle tecniche di amplificazione convenzionali, l'amplificazione diretta degli impulsi al femtosecondo soffre di distorsione dell'impulso e degrado del raggio a causa degli effetti di autofocalizzazione innescati da forti sfasamenti non lineari. Questa limitazione limita il funzionamento degli amplificatori bulk/fibra solo entro l'intervallo degli impulsi dei picosecondi. Ciò richiede sistemi di amplificazione degli impulsi cinguettati (CPA) basati sullo stiramento e sulla compressione degli impulsi. Mentre i sistemi di amplificazione ottica parametrica degli impulsi chirped (OPCPA) possono raggiungere un'energia di impulso di livello milliwatt- a frequenze di ripetizione kHz, gli effetti termici limitano i miglioramenti nella potenza media e nell'efficienza. Sebbene i sistemi CPA-basati su fibra offrano vantaggi distinti in termini di potenza media elevata e qualità del fascio abbagliante, la loro energia di uscita/potenza di picco è limitata da effetti non lineari e danni ottici. Di conseguenza, le tecnologie esistenti faticano a ottimizzare contemporaneamente i tre parametri chiave delle prestazioni: potenza, frequenza di ripetizione e larghezza di impulso. Questo studio propone in modo innovativo una configurazione discreta della serie Ho:YAG SCF. Interrompendo segmentalmente il percorso di accumulo continuo dello sfasamento non lineare, riduce l'integrale B- totale del sistema di amplificazione. Questo approccio bilancia la lunghezza dell'SCF con la lunghezza dell'autofocalizzazione, mitigando così i rischi dell'autofocalizzazione. Utilizzando una struttura in fibra a cristallo singolo-discreta, questo lavoro supera con successo le sfide di lunga data-della soppressione dell'effetto non lineare e del miglioramento dell'efficienza nell'amplificazione laser a femtosecondi da 2 μm. Raggiunge progressi significativi nelle prestazioni del laser attraverso uno schema di amplificazione altamente efficiente e strutturalmente semplificato.
Questo lavoro dimostra una tecnica di amplificazione diretta per laser a femtosecondi da 2 μm, fornendo un nuovo percorso tecnico per lo sviluppo di laser ultraveloci da 2 μm compatti, efficienti e ad alte-prestazioni. Gli sforzi futuri integreranno la selezione dell'impulso e le tecniche di post-compressione per ottenere un'energia dell'impulso singolo-più elevata e larghezze di impulso più brevi.
