เลเซอร์แบบแผ่นล็อคโหมด เลเซอร์ความเร็วสูงพลังงานสูง

เฟมโตวินาทีกำลังสูงเลเซอร์มีคุณค่าในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างมากในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และด้านอุตสาหกรรม เช่น การสร้างเทราเฮิรตซ์ การสร้างพัลส์แอตโตวินาที และหวีความถี่ออปติคัลเลเซอร์แบบ Mod-lockสื่อแบบบล็อกเกนแบบดั้งเดิมถูกจำกัดด้วยเอฟเฟกต์เลนส์ความร้อนที่กำลังไฟฟ้าสูง และปัจจุบันกำลังไฟฟ้าเอาต์พุตสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 20 วัตต์

เลเซอร์แผ่นบางใช้โครงสร้างปั๊มหลายรอบเพื่อสะท้อนไฟปั๊มเข้ากับแผ่นวัสดุรับค่าเกนที่มีความหนา 100 ไมครอน เพื่อประสิทธิภาพการดูดซับของปั๊มที่สูง วัสดุรับค่าเกนที่บางเป็นพิเศษผสานกับเทคโนโลยีระบายความร้อนกลับ ช่วยลดอิทธิพลของปรากฏการณ์เลนส์ความร้อนและปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นได้อย่างมาก และสามารถให้เอาต์พุตพัลส์เฟมโตวินาทีที่มีกำลังสูงได้
ออสซิลเลเตอร์เวเฟอร์ที่รวมกับเทคโนโลยีล็อคโหมดเลนส์ Kerr เป็นวิธีการหลักในการรับเอาต์พุตเลเซอร์ที่มีกำลังเฉลี่ยสูงพร้อมความกว้างพัลส์ในระดับเฟมโตวินาที

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

ทีมนักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีนได้ออกแบบและสร้างเลเซอร์แบบแผ่นล็อคโหมดเลนส์ Kerr โดยใช้โมดูลปั๊ม 72 ทางที่พัฒนาขึ้นเอง และพัฒนาเลเซอร์แบบแผ่นล็อคโหมดเลนส์ Kerr ที่มีกำลังเฉลี่ยและพลังงานพัลส์เดี่ยวสูงสุดในประเทศจีน
โดยอาศัยหลักการล็อกโหมดเลนส์ Kerr และการคำนวณเมทริกซ์ ABCD แบบวนซ้ำ ทีมวิจัยได้วิเคราะห์ทฤษฎีการล็อกโหมดของเลเซอร์ล็อกโหมดเลนส์ Kerr แบบแผ่นบางก่อน จากนั้นจึงจำลองการเปลี่ยนแปลงโหมดในตัวเรโซเนเตอร์ระหว่างการทำงานล็อกโหมดและการทำงานต่อเนื่อง และยืนยันว่ารัศมีโหมดโพรงที่ไดอะแฟรมแข็งจะลดลงมากกว่า 7% หลังจากการล็อกโหมด

ต่อมา ทีมวิจัยได้ออกแบบและสร้างเรโซเนเตอร์แบบล็อกโหมดเลนส์ Kerr (รูปที่ 2) โดยยึดหลักการออกแบบ โดยอาศัยโมดูลปั๊ม 72 ทาง (รูปที่ 1) ที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นเอง และได้รับเอาต์พุตเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีกำลังเฉลี่ย 11.78 วัตต์ ความกว้างพัลส์ 245 fs และพลังงานพัลส์เดี่ยว 0.14 ไมโครจูล ที่เวลาการปั๊ม 72 วัตต์ ความกว้างของพัลส์เอาต์พุตและการเปลี่ยนแปลงของโหมดภายในโพรงสอดคล้องกับผลการจำลอง

รูปที่ 2 แผนผังแสดงโพรงเรโซแนนซ์ของเลเซอร์เวเฟอร์ Yb:YAG แบบล็อคโหมดเลนส์ Kerr ที่ใช้ในการทดลอง

เพื่อปรับปรุงกำลังส่งออกของเลเซอร์ ทีมวิจัยได้เพิ่มรัศมีความโค้งของกระจกโฟกัส และปรับแต่งความหนาของตัวกลาง Kerr และการกระจายตัวอันดับสองอย่างละเอียด เมื่อตั้งค่ากำลังปั๊มเป็น 94 วัตต์ กำลังส่งออกเฉลี่ยจะเพิ่มขึ้นเป็น 22.33 วัตต์ ความกว้างพัลส์อยู่ที่ 394 fs และพลังงานพัลส์เดี่ยวอยู่ที่ 0.28 μJ

เพื่อเพิ่มกำลังเอาต์พุตให้มากขึ้น ทีมวิจัยจะเพิ่มรัศมีความโค้งของคู่กระจกเว้าที่โฟกัสให้มากขึ้น ในขณะที่วางตัวสะท้อนไว้ในสภาพแวดล้อมปิดสุญญากาศต่ำ เพื่อลดอิทธิพลของการรบกวนอากาศและการกระจายอากาศ