פריצת דרך! לייזר הסיב הפמטו-שניות באינפרא אדום בינוני בעל ההספק הגבוה ביותר בעולם, 3 מיקרומטר

פריצת דרך! קרינת האינפרא-אדום הבינונית בעלת ההספק הגבוה ביותר בעולם, 3 מיקרוןלייזר סיבים פמטו-שניות

לייזר סיביםכדי להשיג פלט לייזר באינפרא אדום בינוני, הצעד הראשון הוא לבחור את חומר מטריצת הסיבים המתאים. בלייזרי סיבים באינפרא אדום קרוב, מטריצת זכוכית קוורץ היא חומר מטריצת הסיבים הנפוץ ביותר עם אובדן העברה נמוך מאוד, חוזק מכני אמין ויציבות מעולה. עם זאת, בגלל אנרגיית הפונונים הגבוהה (1150 ס"מ-1), לא ניתן להשתמש בסיב קוורץ להעברת לייזר באינפרא אדום בינוני. על מנת להשיג העברה עם אובדן נמוך של לייזר באינפרא אדום בינוני, עלינו לבחור מחדש חומרי מטריצת סיבים אחרים עם אנרגיית פונונים נמוכה יותר, כגון מטריצת זכוכית סולפיד או מטריצת זכוכית פלואוריד. לסיב סולפיד יש את אנרגיית הפונונים הנמוכה ביותר (כ-350 ס"מ-1), אך יש לו את הבעיה שלא ניתן להגדיל את ריכוז הסימום, ולכן הוא אינו מתאים לשימוש כסיב הגבר ליצירת לייזר באינפרא אדום בינוני. למרות שלמצע זכוכית פלואוריד יש אנרגיית פונונים מעט גבוהה יותר (550 ס"מ-1) מאשר למצע זכוכית סולפיד, הוא יכול גם להשיג העברה עם אובדן נמוך עבור לייזרים באינפרא אדום בינוני עם אורכי גל קטנים מ-4 מיקרומטר. חשוב מכך, מצע זכוכית פלואוריד יכול להשיג ריכוז סימום גבוה של יוני אדמה נדירה, שיכול לספק את הרווח הנדרש לייצור לייזר באינפרא אדום בינוני. לדוגמה, סיב פלואוריד ZBLAN הבוגר ביותר עבור Er3+ הצליח להשיג ריכוז סימום של עד 10 מול. לכן, מטריצת זכוכית פלואוריד היא חומר מטריצת הסיבים המתאים ביותר עבור לייזרי סיבים באינפרא אדום בינוני.

לאחרונה, צוות פרופסור רואן שואנגצ'ן ופרופסור גואו צ'וניו מאוניברסיטת שנזן פיתח פמטו-שנייה בעלת עוצמה גבוהה.לייזר סיבים דופקמורכב ממתנד סיבים Er:ZBLAN נעול-מצב של 2.8 מיקרומטר, קדם-מגבר סיבים Er:ZBLAN במצב יחיד ומגבר ראשי סיבים Er:ZBLAN שדה-מצב גדול.
בהתבסס על תיאוריית הדחיסה העצמית וההגברה של פולסים אולטרה-קצרים באינפרא אדום אמצעי הנשלטים על ידי מצב קיטוב ועבודת סימולציה נומרית של קבוצת המחקר שלנו, בשילוב עם שיטות דיכוי ובקרת מצבים לא ליניאריות של סיב אופטי בעל מצבים גדולים, טכנולוגיית קירור אקטיבית ומבנה הגברה של משאבה דו-קצה, המערכת משיגה פלט פולסים אולטרה-קצרים של 2.8 מיקרומטר עם הספק ממוצע של 8.12 וואט ורוחב פולס של 148 רגל לשנייה. השיא הבינלאומי של ההספק הממוצע הגבוה ביותר שהושג על ידי קבוצת מחקר זו רענן עוד יותר.

איור 1 דיאגרמת מבנה של לייזר סיבים Er:ZBLAN המבוססת על מבנה MOPA
המבנה של ה-לייזר פמטו-שניותהמערכת מוצגת באיור 1. סיב Er:ZBLAN בעל ציפוי כפול במצב יחיד באורך 3.1 מטר שימש כסיב הגברה בקדם-מגבר עם ריכוז סימום של 7 מול% וקוטר ליבה של 15 מיקרומטר (NA = 0.12). במגבר הראשי, סיב Er:ZBLAN בעל ציפוי כפול ושדה אופן גדול באורך 4 מטר שימש כסיב הגברה עם ריכוז סימום של 6 מול% וקוטר ליבה של 30 מיקרומטר (NA = 0.12). קוטר הליבה הגדול יותר גורם לסיב ההגבר להיות בעל מקדם לא ליניארי נמוך יותר והוא יכול לעמוד בהספק שיא גבוה יותר ובתפוקת פולסים של אנרגיית פולסים גדולה יותר. שני קצוות סיב ההגבר מחוברים למכסה ההדק AlF3.