แสงที่มองเห็นได้ในระดับต่ำกว่า 20 เฟมโตวินาทีแหล่งกำเนิดเลเซอร์พัลส์ที่ปรับได้
เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยจากสหราชอาณาจักรได้ตีพิมพ์งานวิจัยที่ล้ำสมัย โดยประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงที่มองเห็นได้แบบปรับได้ระดับเมกะวัตต์ที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่า 20 เฟมโตวินาทีแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบพัลส์แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบพัลส์นี้ มีความเร็วสูงมากเลเซอร์ไฟเบอร์ระบบนี้สามารถสร้างพัลส์ที่มีความยาวคลื่นปรับได้ ระยะเวลาสั้นมาก พลังงานสูงถึง 39 นาโนจูล และกำลังสูงสุดเกิน 2 เมกะวัตต์ ซึ่งเปิดโอกาสการใช้งานใหม่ ๆ ในด้านต่าง ๆ เช่น สเปกโทรสโกปีความเร็วสูง การถ่ายภาพทางชีววิทยา และกระบวนการทางอุตสาหกรรม
หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่การผสมผสานวิธีการล้ำสมัยสองวิธี ได้แก่ “การขยายสัญญาณแบบไม่เชิงเส้นที่ควบคุมด้วยอัตราขยาย (Gain-Managed Nonlinear Amplification: GMNA)” และ “การปล่อยคลื่นกระจายตัวแบบเรโซแนนซ์ (Resonant Dispersive Wave: RDW)” ในอดีต การจะได้พัลส์อัลตร้าชอร์ตที่ปรับได้ประสิทธิภาพสูงเช่นนี้ มักต้องใช้เลเซอร์ไทเทเนียม-แซฟไฟร์หรือเครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริกเชิงแสงที่มีราคาแพงและซับซ้อน อุปกรณ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่มีราคาแพง ขนาดใหญ่ และดูแลรักษายากเท่านั้น แต่ยังจำกัดด้วยอัตราการทำซ้ำต่ำและช่วงการปรับความถี่ โซลูชันแบบไฟเบอร์ทั้งหมดที่พัฒนาขึ้นในครั้งนี้ไม่เพียงแต่ทำให้สถาปัตยกรรมของระบบง่ายขึ้นอย่างมาก แต่ยังช่วยลดต้นทุนและความซับซ้อนลงอย่างมาก ทำให้สามารถสร้างพัลส์กำลังสูงที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่า 20 เฟมโตวินาที ปรับความถี่ได้ตั้งแต่ 400 ถึง 700 นาโนเมตร และสูงกว่านั้นได้โดยตรง ที่ความถี่การทำซ้ำสูงถึง 4.8 MHz ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการค้นพบครั้งนี้ด้วยการออกแบบสถาปัตยกรรมของระบบอย่างแม่นยำ ประการแรก พวกเขาใช้ออสซิลเลเตอร์ไฟเบอร์อิตเทอร์เบียมแบบล็อกโหมดที่รักษาโพลาไรเซชันได้อย่างสมบูรณ์ โดยใช้กระจกวงแหวนขยายสัญญาณแบบไม่เชิงเส้น (NALM) เป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณเริ่มต้น การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่รับประกันเสถียรภาพในระยะยาวของระบบเท่านั้น แต่ยังหลีกเลี่ยงปัญหาการเสื่อมสภาพของตัวดูดซับที่อิ่มตัวทางกายภาพอีกด้วย หลังจากขยายสัญญาณล่วงหน้าและบีบอัดพัลส์แล้ว พัลส์เริ่มต้นจะถูกส่งเข้าสู่ขั้นตอน GMNA GMNA ใช้การปรับเฟสด้วยตนเองและการกระจายการขยายแบบไม่สมมาตรตามแนวยาวในใยแก้วนำแสงเพื่อให้เกิดการขยายสเปกตรัมและสร้างพัลส์อัลตร้าชอร์ตที่มีการชิปเชิงเส้นที่สมบูรณ์แบบเกือบทั้งหมด ซึ่งในที่สุดจะถูกบีบอัดให้ต่ำกว่า 40 เฟมโตวินาทีผ่านคู่ตะแกรง ในระหว่างขั้นตอนการสร้าง RDW นักวิจัยใช้ใยแก้วนำแสงแบบกลวงต้านการสะท้อนเก้าตัวที่ออกแบบและผลิตเอง ใยแก้วนำแสงชนิดนี้มีการสูญเสียต่ำมากในย่านความถี่ของพัลส์ปั๊มและย่านแสงที่มองเห็นได้ ทำให้สามารถแปลงพลังงานจากพัลส์ปั๊มไปเป็นคลื่นกระจายได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงการรบกวนที่เกิดจากย่านความถี่เรโซแนนซ์ที่มีการสูญเสียสูง ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม พลังงานพัลส์คลื่นกระจายที่ระบบส่งออกมาสามารถสูงถึง 39 นาโนจูล ความกว้างของพัลส์ที่สั้นที่สุดสามารถสูงถึง 13 เฟมโตวินาที กำลังสูงสุดสามารถสูงถึง 2.2 เมกะวัตต์ และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสามารถสูงถึง 13% ที่น่าตื่นเต้นยิ่งกว่านั้นคือ การปรับความดันก๊าซและพารามิเตอร์ของใยแก้วนำแสง ระบบสามารถขยายไปยังย่านอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรดได้อย่างง่ายดาย ทำให้สามารถปรับย่านความถี่ได้กว้างตั้งแต่อัลตราไวโอเลตลึกไปจนถึงอินฟราเรด
งานวิจัยนี้ไม่เพียงแต่มีความสำคัญอย่างยิ่งในสาขาพื้นฐานของโฟโตนิกส์เท่านั้น แต่ยังเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับภาคอุตสาหกรรมและการประยุกต์ใช้งานอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในสาขาต่างๆ เช่น การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบหลายโฟตอน สเปกโทรสโกปีแบบความละเอียดสูงพิเศษ การแปรรูปวัสดุ การแพทย์แม่นยำ และการวิจัยด้านทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นความละเอียดสูงพิเศษ แหล่งกำเนิดแสงความละเอียดสูงพิเศษชนิดใหม่นี้ที่มีขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนต่ำ จะมอบเครื่องมือและความยืดหยุ่นที่ไม่เคยมีมาก่อนให้กับผู้ใช้งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่ต้องการอัตราการทำซ้ำสูง กำลังสูงสุด และพัลส์สั้นพิเศษ เทคโนโลยีนี้ย่อมมีความสามารถในการแข่งขันและมีศักยภาพในการส่งเสริมที่มากกว่าระบบไทเทเนียม-แซฟไฟร์หรือระบบขยายสัญญาณพาราเมตริกแบบออปติคอลแบบดั้งเดิมอย่างไม่ต้องสงสัย
ในอนาคต ทีมวิจัยวางแผนที่จะปรับปรุงระบบให้ดียิ่งขึ้น เช่น การรวมสถาปัตยกรรมปัจจุบันที่มีส่วนประกอบทางแสงแบบอิสระหลายชิ้นเข้ากับใยแก้วนำแสง หรือแม้กระทั่งการใช้ออสซิลเลเตอร์ Mamyshev เพียงตัวเดียวเพื่อแทนที่ออสซิลเลเตอร์และแอมพลิฟายเออร์แบบเดิม เพื่อให้ได้ระบบที่มีขนาดเล็กและบูรณาการมากขึ้น นอกจากนี้ ด้วยการปรับให้เข้ากับใยแก้วนำแสงแบบป้องกันการสั่นสะเทือนชนิดต่างๆ การนำก๊าซที่กระตุ้นการเกิดรามาน และโมดูลเพิ่มความถี่มาใช้ คาดว่าระบบนี้จะขยายไปสู่ย่านความถี่ที่กว้างขึ้น ทำให้ได้โซลูชันเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษแบบใยแก้วนำแสงทั้งหมด ย่านความถี่กว้าง สำหรับหลายสาขา เช่น รังสีอัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็นได้ และอินฟราเรด
รูปที่ 1 แผนภาพแสดงการปรับจูนเลเซอร์แบบพัลส์
วันที่เผยแพร่: 28 พฤษภาคม 2568