แหล่งกำเนิดเลเซอร์พัลส์ปรับแสงที่มองเห็นได้แบบเฟมโตวินาทีย่อย 20

แสงที่มองเห็นได้ต่ำกว่า 20 เฟมโตวินาทีแหล่งกำเนิดเลเซอร์พัลส์แบบปรับได้

เมื่อไม่นานนี้ ทีมวิจัยจากสหราชอาณาจักรได้เผยแพร่ผลการศึกษาเชิงนวัตกรรม โดยประกาศว่าพวกเขาได้พัฒนาเครื่องตรวจจับแสงที่มองเห็นได้แบบปรับได้ในระดับเมกะวัตต์ต่ำกว่า 20 เฟมโตวินาทีสำเร็จแล้วแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบพัลส์แหล่งเลเซอร์แบบพัลส์นี้รวดเร็วเป็นพิเศษไฟเบอร์เลเซอร์ระบบนี้มีศักยภาพในการสร้างพัลส์ที่มีความยาวคลื่นปรับได้ ระยะเวลาสั้นมาก พลังงานสูงถึง 39 นาโนจูล และกำลังสูงสุดเกิน 2 เมกะวัตต์ ซึ่งเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับการประยุกต์ใช้งานในสาขาต่างๆ เช่น การสเปกโตรสโคปีความเร็วสูง การถ่ายภาพทางชีวภาพ และการแปรรูปทางอุตสาหกรรม

จุดเด่นสำคัญของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่การผสมผสานวิธีการล้ำสมัยสองวิธีเข้าด้วยกัน ได้แก่ “การขยายสัญญาณแบบไม่เชิงเส้นแบบควบคุมเกน (Gain-Managed nonlinear Amplification: GMNA)” และ “การปล่อยคลื่นกระจายเรโซแนนซ์ (Resonant Dispersive Wave: RDW)” ในอดีต มักจะต้องใช้เลเซอร์ไททาเนียม-แซฟไฟร์หรือเครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริกออปติคัลซึ่งมีราคาแพงและซับซ้อนเพื่อให้ได้พัลส์อัลตราชชอร์ตที่ปรับได้ประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่มีราคาแพง เทอะทะ และยากต่อการบำรุงรักษาเท่านั้น แต่ยังมีข้อจำกัดจากอัตราการทำซ้ำและช่วงการปรับแต่งที่ต่ำอีกด้วย โซลูชันไฟเบอร์ทั้งหมดที่พัฒนาขึ้นในครั้งนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดความซับซ้อนของสถาปัตยกรรมระบบได้อย่างมาก แต่ยังลดต้นทุนและความซับซ้อนได้อย่างมากอีกด้วย ช่วยให้สามารถสร้างพัลส์ที่มีความถี่ต่ำกว่า 20 เฟมโตวินาทีได้โดยตรง โดยปรับได้ถึง 400 ถึง 700 นาโนเมตรและมากกว่าพัลส์กำลังสูงที่ความถี่การทำซ้ำสูงที่ 4.8 เมกะเฮิรตซ์ ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในความก้าวหน้าครั้งนี้ด้วยสถาปัตยกรรมระบบที่ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยำ ประการแรก พวกเขาใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณไฟเบอร์อิตเทอร์เบียมแบบล็อกโหมดที่รักษาโพลาไรเซชันอย่างสมบูรณ์โดยอาศัยกระจกวงแหวนขยายสัญญาณแบบไม่เชิงเส้น (NALM) เป็นแหล่งสัญญาณเริ่มต้น การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่รับประกันความเสถียรในระยะยาวของระบบเท่านั้น แต่ยังหลีกเลี่ยงปัญหาการเสื่อมสภาพของตัวดูดซับที่อิ่มตัวทางกายภาพอีกด้วย หลังจากการขยายสัญญาณล่วงหน้าและการบีบอัดพัลส์ พัลส์เริ่มต้นจะถูกนำเข้าสู่ขั้นตอน GMNA GMNA ใช้การมอดูเลตเฟสของตัวเองและการกระจายเกนแบบไม่สมมาตรตามยาวในไฟเบอร์ออปติกเพื่อให้เกิดการขยายสเปกตรัมและสร้างพัลส์อัลตราสั้นที่มีเสียงแหลมเชิงเส้นเกือบสมบูรณ์แบบ ซึ่งในที่สุดจะถูกบีบอัดให้เหลือต่ำกว่า 40 เฟมโตวินาทีผ่านคู่สัญญาณแบบกริด ในระหว่างขั้นตอนการสร้าง RDW นักวิจัยใช้ไฟเบอร์แกนกลวงป้องกันเรโซแนนซ์ที่มีตัวสะท้อนเก้าตัวที่ออกแบบและผลิตเอง ใยแก้วนำแสงชนิดนี้มีการสูญเสียที่ต่ำมากในแถบพัลส์ปั๊มและบริเวณแสงที่มองเห็นได้ ทำให้สามารถแปลงพลังงานจากปั๊มไปยังคลื่นกระจายได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงการรบกวนที่เกิดจากแถบเรโซแนนซ์ที่มีการสูญเสียสูง ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม พลังงานพัลส์คลื่นกระจายที่ส่งออกโดยระบบสามารถเข้าถึง 39 นาโนจูล ความกว้างของพัลส์ที่สั้นที่สุดสามารถเข้าถึง 13 เฟมโตวินาที กำลังสูงสุดสามารถสูงถึง 2.2 เมกะวัตต์ และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสามารถสูงถึง 13% สิ่งที่น่าตื่นเต้นยิ่งกว่าคือการปรับความดันก๊าซและพารามิเตอร์ของใยแก้วนำแสง ทำให้ระบบสามารถขยายไปยังแถบอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรดได้อย่างง่ายดาย ทำให้สามารถปรับแบนด์วิดท์กว้างจากอัลตราไวโอเลตลึกไปยังอินฟราเรดได้

งานวิจัยนี้ไม่เพียงแต่มีความสำคัญอย่างมากในสาขาพื้นฐานของโฟโตนิกส์เท่านั้น แต่ยังเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับภาคอุตสาหกรรมและภาคการประยุกต์ใช้ด้วย ตัวอย่างเช่น ในสาขาต่างๆ เช่น การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์หลายโฟตอน การสเปกโตรสโคปีแบบแยกตามเวลาที่รวดเร็วมาก การประมวลผลวัสดุ การแพทย์ที่แม่นยำ และการวิจัยออปติกแบบไม่เชิงเส้นที่รวดเร็วมาก แหล่งกำเนิดแสงความเร็วสูงชนิดใหม่ที่กะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และต้นทุนต่ำนี้จะมอบเครื่องมือและความยืดหยุ่นที่ไม่เคยมีมาก่อนให้กับผู้ใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่ต้องใช้อัตราการทำซ้ำสูง กำลังสูงสุด และพัลส์สั้นมาก เทคโนโลยีนี้จึงสามารถแข่งขันได้และมีศักยภาพในการส่งเสริมการขายมากกว่าระบบขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกไททาเนียม-แซฟไฟร์หรือออปติคัลแบบดั้งเดิม

ในอนาคต ทีมวิจัยมีแผนที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของระบบเพิ่มเติม เช่น การรวมสถาปัตยกรรมปัจจุบันที่มีส่วนประกอบออปติกแบบช่องว่างว่างหลายชิ้นเข้ากับใยแก้วนำแสง หรือแม้กระทั่งการใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณ Mamyshev เพียงตัวเดียวเพื่อแทนที่เครื่องกำเนิดสัญญาณและเครื่องขยายสัญญาณแบบรวม เพื่อให้เกิดการย่อส่วนและบูรณาการระบบ นอกจากนี้ คาดว่าระบบนี้จะขยายไปสู่แบนด์ที่กว้างขึ้น โดยปรับให้เข้ากับใยแก้วนำแสงป้องกันการสั่นพ้องประเภทต่างๆ การนำก๊าซแอ็คทีฟรามานและโมดูลเพิ่มความถี่มาใช้ ซึ่งจะทำให้สามารถนำเสนอโซลูชันเลเซอร์ความเร็วสูงแบบไฟเบอร์ทั้งหมด แบนด์กว้าง สำหรับหลายสาขา เช่น อัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็นได้ และอินฟราเรด

รูปที่ 1 แผนผังแสดงการปรับจูนเลเซอร์แบบพัลส์