אור נראה מתחת ל-20 פמטו-שניותמקור לייזר פועם מתכוונן
לאחרונה, צוות מחקר מבריטניה פרסם מחקר חדשני, והודיע כי פיתח בהצלחה אור נראה מתכוונן ברמת מגה-וואט של פחות מ-20 פמטו-שניות.מקור לייזר פועםמקור לייזר פועם זה, אולטרה מהירלייזר סיביםהמערכת מסוגלת לייצר פולסים באורכי גל ניתנים לכוונון, משכי זמן קצרים במיוחד, אנרגיות גבוהות של עד 39 ננו-ג'אול והספק שיא העולה על 2 מגה-וואט, מה שפותח אפשרויות יישומים חדשות לגמרי עבור תחומים כמו ספקטרוסקופיה אולטרה-מהירה, הדמיה ביולוגית ועיבוד תעשייתי.
גולת הכותרת של טכנולוגיה זו טמונה בשילוב של שתי שיטות חדשניות: "הגברה לא ליניארית מנוהלת הגבר (GMNA)" ו"פליטת גל פיזור תהודה (RDW)". בעבר, כדי להשיג פולסים קצרים במיוחד הניתנים לכוונון בעלי ביצועים גבוהים כאלה, נדרשו בדרך כלל לייזרים יקרים ומורכבים של טיטניום-ספיר או מגברים אופטיים פרמטריים. התקנים אלה היו לא רק יקרים, מגושמים וקשים לתחזוקה, אלא גם מוגבלים על ידי קצבי חזרות נמוכים וטווחי כוונון נמוכים. פתרון הסיבים כולו שפותח הפעם לא רק מפשט משמעותית את ארכיטקטורת המערכת אלא גם מפחית מאוד את העלויות והמורכבות. הוא מאפשר יצירה ישירה של פולסים בעלי הספק גבוה מתחת ל-20 פמטו-שניות, הניתנים לכוונון ל-400 עד 700 ננומטר ומעלה, בתדר חזרות גבוה של 4.8 מגה-הרץ. צוות המחקר השיג פריצת דרך זו באמצעות ארכיטקטורת מערכת שתוכננה במדויק. ראשית, הם השתמשו במתנד סיב איטרביום נעול-מצב המשמר קיטוב מלא, המבוסס על מראה טבעת הגברה לא ליניארית (NALM) כמקור זרעים. תכנון זה לא רק מבטיח את היציבות ארוכת הטווח של המערכת, אלא גם נמנע מבעיית הפירוק של בולמי אנרגיה רוויים פיזיקליים. לאחר הגברה מקדימה ודחיסת פולסים, פולסי הזרע מוכנסים לשלב ה-GMNA. GMNA משתמש במודולציה עצמית של פאזה ובחלוקת הגבר אסימטרית אורכית בסיבים אופטיים כדי להשיג הרחבה ספקטרלית וליצור פולסים קצרים במיוחד עם ציוץ ליניארי כמעט מושלם, אשר נדחסים בסופו של דבר ל-40 פמטו-שניות דרך זוגות סורג. במהלך שלב יצירת ה-RDW, החוקרים השתמשו בסיבים בעלי ליבה חלולה בעלי תשעה תהודות שתוכננו וייצרו באופן עצמאי. לסוג זה של סיב אופטי יש הפסדים נמוכים ביותר בתחום פולסי המשאבה ובאזור האור הנראה, מה שמאפשר להמיר ביעילות את האנרגיה מהמשאבה לגל המפוזר ולהימנע מהפרעות הנגרמות על ידי פס התהודה בעל ההפסדים הגבוהים. בתנאים אופטימליים, אנרגיית פולס גל הפיזור המופקת על ידי המערכת יכולה להגיע ל-39 ננו-ג'אול, רוחב הפולס הקצר ביותר יכול להגיע ל-13 פמטו-שניות, הספק השיא יכול להגיע ל-2.2 מגה-וואט, ויעילות המרת האנרגיה יכולה להגיע ל-13%. מרגש עוד יותר הוא שעל ידי התאמת לחץ הגז ופרמטרי הסיבים, ניתן להרחיב בקלות את המערכת לפסי האולטרה סגול והאינפרא אדום, ולהשיג כוונון רחב-פס מאולטרה סגול עמוק לאינפרא אדום.
למחקר זה לא רק חשיבות משמעותית בתחום הפוטוניקה הבסיסי, אלא גם פותח מצב חדש עבור תחומי התעשייה והיישומים. לדוגמה, בתחומים כמו דימות מיקרוסקופי רב-פוטוני, ספקטרוסקופיה מהירה במיוחד לפי פתרון זמן, עיבוד חומרים, רפואה מדויקת ומחקר אופטיקה לא לינארית מהירה במיוחד, מקור אור אולטרה-מהיר מסוג חדש, קומפקטי, יעיל ובעל עלות נמוכה זה יספק למשתמשים כלים וגמישות חסרי תקדים. במיוחד בתרחישים הדורשים קצבי חזרות גבוהים, הספק שיא ופולסים קצרים במיוחד, טכנולוגיה זו ללא ספק תחרותית יותר ובעלת פוטנציאל קידום גדול יותר בהשוואה למערכות הגברה פרמטריות אופטיות או טיטניום-ספיר מסורתיות.
בעתיד, צוות המחקר מתכנן לבצע אופטימיזציה נוספת של המערכת, כגון שילוב הארכיטקטורה הנוכחית המכילה מספר רכיבים אופטיים במרחב חופשי לתוך סיבים אופטיים, או אפילו שימוש במתנד ממישב יחיד כדי להחליף את שילוב המתנד והמגבר הנוכחי, על מנת להשיג מזעור ואינטגרציה של המערכת. בנוסף, על ידי התאמה לסוגים שונים של סיבים אנטי-רזוננסיים, הכנסת גזים אקטיביים של ראמאן ומודולים להכפלת תדרים, מערכת זו צפויה להתרחב לפס רחב יותר, ותספק פתרונות לייזר אולטרה-מהירים, רחבי פס, הכוללים סיבים מלאים עבור תחומים מרובים כגון אולטרה סגול, אור נראה ואינפרא אדום.
איור 1. תרשים סכמטי של כוונון הלייזר הפועם
זמן פרסום: 28 במאי 2025