Gjennombrudd! Verdens høyeste effekt 3 μm mid-infrarød femtosekund fiberlaser

Gjennombrudd! Verdens høyeste effekt 3 μm midt-infrarødfemtosekund fiberlaser

Fiberlaserfor å oppnå midt-infrarød laserutgang, er det første trinnet å velge riktig fibermatrisemateriale. I nær-infrarøde fiberlasere er kvartsglassmatrise det vanligste fibermatrisematerialet med svært lavt overføringstap, pålitelig mekanisk styrke og utmerket stabilitet. På grunn av den høye fononenergien (1150 cm-1), kan kvartsfiber imidlertid ikke brukes til middels infrarød laseroverføring. For å oppnå lavtapsoverføring av mid-infrarød laser, må vi velge andre fibermatrisematerialer med lavere fononenergi, for eksempel sulfidglassmatrise eller fluoridglassmatrise. Sulfidfiber har den laveste fononenergien (ca. 350 cm-1), men den har problemet at dopingkonsentrasjonen ikke kan økes, så den egner seg ikke for bruk som forsterkningsfiber for å generere mellominfrarød laser. Selv om fluoridglasssubstratet har en litt høyere fononenergi (550 cm-1) enn sulfidglasssubstratet, kan det også oppnå lavtapstransmisjon for mellominfrarøde lasere med bølgelengder mindre enn 4 μm. Enda viktigere er at fluoridglasssubstratet kan oppnå en høy konsentrasjon av sjeldne jordarts-ioner, som kan gi den forsterkningen som kreves for generering av middels infrarød laser, for eksempel har den mest modne fluorid-ZBLAN-fiberen for Er3+ vært i stand til å oppnå en dopingkonsentrasjon på opptil 10 mol. Derfor er fluoridglassmatrise det mest egnede fibermatrisematerialet for mellominfrarøde fiberlasere.

Nylig utviklet teamet til professor Ruan Shuangchen og professor Guo Chunyu ved Shenzhen University et femtosekund med høy effektpulsfiberlasersammensatt av 2,8μm moduslåst Er:ZBLAN fiberoscillator, enkeltmodus Er:ZBLAN fiberforforsterker og stormodusfelt Er:ZBLAN fiberhovedforsterker.
Basert på selvkompresjons- og forsterkningsteorien om mid-infrarød ultrakort puls kontrollert av polarisasjonstilstand og numerisk simuleringsarbeid fra vår forskningsgruppe, kombinert med ikke-lineær undertrykkelse og moduskontrollmetoder for stormodus optisk fiber, aktiv kjøleteknologi og forsterkning strukturen til en tosidig pumpe, oppnår systemet 2,8μm ultrakort pulsutgang med en gjennomsnittlig effekt på 8,12W og en pulsbredde på 148 fs. Den internasjonale rekorden for den høyeste gjennomsnittlige kraften oppnådd av denne forskergruppen ble ytterligere fornyet.

Figur 1 Strukturdiagram av Er:ZBLAN fiberlaser basert på MOPA-struktur
Strukturen tilfemtosekund lasersystemet er vist i figur 1. Den enkeltmodus dobbeltkledde Er:ZBLAN-fiberen på 3,1 m lengde ble brukt som forsterkningsfiber i forforsterkeren med en dopingkonsentrasjon på 7 mol.% og en kjernediameter på 15 μm (NA = 0,12). I hovedforsterkeren ble det brukt en dobbeltkledd stormodusfelt Er:ZBLAN-fiber med en lengde på 4 m som forsterkningsfiber med en dopingkonsentrasjon på 6 mol.% og en kjernediameter på 30 μm (NA = 0,12). Den større kjernediameteren gjør at forsterkningsfiberen har lavere ikke-lineær koeffisient og tåler høyere toppeffekt og pulsutgang med større pulsenergi. Begge endene av forsterkningsfiberen er smeltet til AlF3-terminalhetten.