ความก้าวหน้าครั้งสำคัญ! เซ็นเซอร์อินฟราเรดช่วงกลาง 3 ไมโครเมตรที่มีกำลังสูงสุดในโลกเลเซอร์ไฟเบอร์เฟมโตวินาที
เลเซอร์ไฟเบอร์เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลาง ขั้นตอนแรกคือการเลือกวัสดุเมทริกซ์ไฟเบอร์ที่เหมาะสม ในเลเซอร์ไฟเบอร์อินฟราเรดใกล้ เมทริกซ์แก้วควอตซ์เป็นวัสดุเมทริกซ์ไฟเบอร์ที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากมีการสูญเสียการส่งผ่านต่ำมาก มีความแข็งแรงเชิงกลที่เชื่อถือได้ และมีเสถียรภาพที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพลังงานโฟนอนสูง (1150 cm-1) ไฟเบอร์ควอตซ์จึงไม่สามารถนำมาใช้ในการส่งผ่านเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลางได้ เพื่อให้ได้การส่งผ่านเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลางที่มีการสูญเสียต่ำ เราจำเป็นต้องเลือกวัสดุเมทริกซ์ไฟเบอร์อื่นที่มีพลังงานโฟนอนต่ำกว่า เช่น เมทริกซ์แก้วซัลไฟด์หรือเมทริกซ์แก้วฟลูออไรด์ ไฟเบอร์ซัลไฟด์มีพลังงานโฟนอนต่ำที่สุด (ประมาณ 350 cm-1) แต่มีปัญหาคือความเข้มข้นของการเจือปนไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้ ดังนั้นจึงไม่เหมาะที่จะใช้เป็นไฟเบอร์ขยายเพื่อสร้างเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลาง แม้ว่าพื้นผิวแก้วฟลูออไรด์จะมีพลังงานโฟนอนสูงกว่าเล็กน้อย (550 cm-1) เมื่อเทียบกับพื้นผิวแก้วซัลไฟด์ แต่ก็ยังสามารถส่งผ่านแสงเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลางที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 4 μm ได้อย่างมีการสูญเสียต่ำ ที่สำคัญกว่านั้น พื้นผิวแก้วฟลูออไรด์สามารถมีความเข้มข้นของการเจือไอออนธาตุหายากสูง ซึ่งสามารถให้กำลังขยายที่จำเป็นสำหรับการสร้างเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลางได้ ตัวอย่างเช่น เส้นใย ZBLAN ฟลูออไรด์ที่พัฒนาแล้วมากที่สุดสำหรับ Er3+ สามารถบรรลุความเข้มข้นของการเจือได้สูงถึง 10 โมล ดังนั้น เมทริกซ์แก้วฟลูออไรด์จึงเป็นวัสดุเมทริกซ์เส้นใยที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเลเซอร์เส้นใยอินฟราเรดช่วงกลาง
เมื่อไม่นานมานี้ ทีมของศาสตราจารย์ Ruan Shuangchen และศาสตราจารย์ Guo Chunyu จากมหาวิทยาลัยเซินเจิ้น ได้พัฒนาเลเซอร์เฟมโตวินาทีพลังงานสูงขึ้นมาเลเซอร์ไฟเบอร์แบบพัลส์ประกอบด้วยออสซิลเลเตอร์ไฟเบอร์ Er:ZBLAN แบบล็อกโหมด 2.8 ไมโครเมตร, พรีแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์ Er:ZBLAN แบบโหมดเดี่ยว และเมนแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์ Er:ZBLAN แบบสนามโหมดขนาดใหญ่
จากทฤษฎีการบีบอัดและการขยายสัญญาณด้วยตนเองของพัลส์อัลตร้าชอร์ตในช่วงอินฟราเรดกลางที่ควบคุมด้วยสถานะโพลาไรเซชัน และงานจำลองเชิงตัวเลขของกลุ่มวิจัยของเรา ร่วมกับวิธีการระงับแบบไม่เชิงเส้นและการควบคุมโหมดของใยแก้วนำแสงโหมดขนาดใหญ่ เทคโนโลยีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟ และโครงสร้างการขยายสัญญาณของปั๊มแบบสองปลาย ระบบนี้สามารถสร้างพัลส์อัลตร้าชอร์ต 2.8 ไมโครเมตร ที่มีกำลังเฉลี่ย 8.12 วัตต์ และความกว้างพัลส์ 148 เฟมโตวินาที ซึ่งเป็นการทำลายสถิติระดับนานาชาติของกำลังเฉลี่ยสูงสุดที่กลุ่มวิจัยนี้เคยทำได้
รูปที่ 1 แผนภาพโครงสร้างของเลเซอร์ใยแก้ว Er:ZBLAN ที่ใช้โครงสร้าง MOPA
โครงสร้างของเลเซอร์เฟมโตวินาทีระบบแสดงในรูปที่ 1 เส้นใยขยายสัญญาณ Er:ZBLAN แบบสองชั้นชนิดโหมดเดี่ยว ความยาว 3.1 เมตร ถูกใช้เป็นเส้นใยขยายสัญญาณในพรีแอมพลิฟายเออร์ โดยมีความเข้มข้นของการเจือปน 7 โมล% และเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 15 ไมโครเมตร (NA = 0.12) ในแอมพลิฟายเออร์หลัก เส้นใยขยายสัญญาณ Er:ZBLAN แบบสองชั้นชนิดสนามโหมดขนาดใหญ่ ความยาว 4 เมตร ถูกใช้เป็นเส้นใยขยายสัญญาณ โดยมีความเข้มข้นของการเจือปน 6 โมล% และเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 30 ไมโครเมตร (NA = 0.12) เส้นผ่านศูนย์กลางแกนที่ใหญ่ขึ้นทำให้เส้นใยขยายสัญญาณมีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นต่ำลง และสามารถทนต่อกำลังสูงสุดและเอาต์พุตพัลส์ที่มีพลังงานพัลส์สูงกว่าได้ ปลายทั้งสองข้างของเส้นใยขยายสัญญาณถูกเชื่อมติดกับฝาครอบปลายทาง AlF3
วันที่เผยแพร่: 19 กุมภาพันธ์ 2024