เลเซอร์แบบแผ่นล็อคโหมด เลเซอร์อัลตราฟาสต์พลังงานสูงกำลังสูง

เฟมโตวินาทีกำลังสูงเลเซอร์มีคุณค่าในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างมากในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และด้านอุตสาหกรรม เช่น การสร้างเทราเฮิร์ตซ์ การสร้างพัลส์แอตโตวินาที และหวีความถี่แสงเลเซอร์แบบ Mod-lockโดยอาศัยสื่อแบบบล็อกเกนแบบดั้งเดิมนั้นถูกจำกัดด้วยเอฟเฟกต์เลนส์เทอร์มอลที่กำลังไฟฟ้าสูง และปัจจุบันกำลังไฟฟ้าเอาต์พุตสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 20 วัตต์

เลเซอร์แผ่นบางใช้โครงสร้างปั๊มหลายรอบเพื่อสะท้อนไฟปั้มน้ำแผ่นตัวกลางเกนที่มีความหนา 100 ไมครอนเพื่อการดูดซับปั๊มที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวกลางเกนที่บางมากซึ่งผสานกับเทคโนโลยีแบ็คคูลลิ่งช่วยลดอิทธิพลของเอฟเฟกต์เลนส์ความร้อนและเอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้นได้อย่างมาก และสามารถให้เอาต์พุตพัลส์เฟมโตวินาทีที่มีกำลังสูงกว่าได้
ออสซิลเลเตอร์เวเฟอร์ที่รวมกับเทคโนโลยีล็อกโหมดเลนส์ Kerr ถือเป็นวิธีการหลักในการรับเอาต์พุตเลเซอร์ที่มีกำลังเฉลี่ยสูงโดยมีความกว้างพัลส์ในระดับเฟมโตวินาที

รูปที่ 1 (ก) แผนภาพโครงสร้างออปติก 72 และ (ข) แผนภาพกายภาพของโมดูลปั๊ม

ทีมนักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์จีนได้ออกแบบและสร้างเลเซอร์แบบแผ่นล็อคโหมดเลนส์ Kerr ขึ้นโดยใช้โมดูลปั๊ม 72 ทิศทางที่พัฒนาขึ้นเอง และพัฒนาเลเซอร์แบบแผ่นล็อคโหมดเลนส์ Kerr ที่มีกำลังเฉลี่ยและพลังงานพัลส์เดี่ยวสูงสุดในประเทศจีน
โดยอาศัยหลักการล็อกโหมดเลนส์ Kerr และการคำนวณแบบวนซ้ำของเมทริกซ์ ABCD ทีมวิจัยได้วิเคราะห์ทฤษฎีการล็อกโหมดของเลเซอร์ล็อกโหมดเลนส์ Kerr แผ่นบางก่อน จากนั้นจึงจำลองการเปลี่ยนแปลงโหมดในเรโซเนเตอร์ระหว่างการทำงานล็อกโหมดและการทำงานต่อเนื่อง และยืนยันว่ารัศมีโหมดโพรงที่ไดอะแฟรมแข็งจะลดลงมากกว่า 7% หลังจากการล็อกโหมด

จากนั้น ทีมวิจัยได้ออกแบบและสร้างเรโซเนเตอร์แบบล็อคโหมดเลนส์ Kerr (รูปที่ 2) โดยยึดตามหลักการออกแบบ โดยอาศัยโมดูลปั๊ม 72 ทาง (รูปที่ 1) ที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นเอง และได้รับเอาต์พุตเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีกำลังเฉลี่ย 11.78W ความกว้างพัลส์ 245 fs และพลังงานพัลส์เดี่ยว 0.14μJ ที่เวลาการปั๊ม 72 W ความกว้างของพัลส์เอาต์พุตและการเปลี่ยนแปลงของโหมดภายในโพรงสอดคล้องกับผลการจำลอง

รูปที่ 2 แผนผังของโพรงเรโซแนนซ์ของเลเซอร์เวเฟอร์ Yb:YAG ที่ล็อคโหมดเลนส์ Kerr ที่ใช้ในการทดลอง

เพื่อปรับปรุงกำลังส่งออกของเลเซอร์ ทีมวิจัยจึงเพิ่มรัศมีความโค้งของกระจกโฟกัส และปรับแต่งความหนาของตัวกลาง Kerr และการกระจายตัวลำดับที่สอง เมื่อตั้งค่ากำลังปั๊มเป็น 94 W กำลังส่งออกเฉลี่ยจะเพิ่มขึ้นเป็น 22.33 W และความกว้างของพัลส์คือ 394 fs และพลังงานพัลส์เดี่ยวคือ 0.28 μJ

เพื่อเพิ่มกำลังส่งออกเพิ่มเติม ทีมวิจัยจะเพิ่มรัศมีความโค้งของกระจกเว้าโฟกัสคู่ต่อไป พร้อมทั้งวางตัวสะท้อนไว้ในสภาพแวดล้อมปิดสุญญากาศต่ำ เพื่อลดอิทธิพลของการรบกวนอากาศและการกระจายอากาศ