إنجازٌ تاريخي! أعلى طاقة في العالم للأشعة تحت الحمراء المتوسطة بطول موجي 3 ميكرومترليزر الألياف الفيمتوثانية
ليزر الأليافلتحقيق خرج ليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، تتمثل الخطوة الأولى في اختيار مادة مصفوفة الألياف المناسبة. في ليزرات الألياف القريبة من الأشعة تحت الحمراء، تُعد مصفوفة زجاج الكوارتز أكثر مواد مصفوفة الألياف شيوعًا، نظرًا لانخفاض فقد الإرسال فيها، وقوتها الميكانيكية العالية، واستقرارها الممتاز. مع ذلك، ونظرًا لطاقة الفونون العالية (1150 سم⁻¹)، لا يُمكن استخدام ألياف الكوارتز لنقل ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. ولتحقيق نقل منخفض الفقد لليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، نحتاج إلى إعادة اختيار مواد مصفوفة ألياف أخرى ذات طاقة فونون أقل، مثل مصفوفة زجاج الكبريتيد أو مصفوفة زجاج الفلوريد. تتميز ألياف الكبريتيد بأقل طاقة فونون (حوالي 350 سم⁻¹)، ولكنها تعاني من مشكلة عدم إمكانية زيادة تركيز التطعيم، لذا فهي غير مناسبة للاستخدام كألياف تضخيم لتوليد ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. على الرغم من أن ركيزة زجاج الفلوريد تتميز بطاقة فونونية أعلى قليلاً (550 سم⁻¹) من ركيزة زجاج الكبريتيد، إلا أنها قادرة على تحقيق نقل منخفض الفقد لأشعة الليزر متوسطة الأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية أقل من 4 ميكرومتر. والأهم من ذلك، أن ركيزة زجاج الفلوريد قادرة على تحقيق تركيز عالٍ من أيونات العناصر الأرضية النادرة، مما يوفر الكسب اللازم لتوليد أشعة الليزر متوسطة الأشعة تحت الحمراء. فعلى سبيل المثال، تمكنت ألياف ZBLAN الفلوريدية الأكثر تطوراً والمخصصة لأيونات الإربيوم (Er³⁺) من تحقيق تركيز تطعيم يصل إلى 10 مول. لذلك، تُعد مصفوفة زجاج الفلوريد أنسب مادة لمصفوفة ألياف ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.
قام فريق البروفيسور روان شوانغ تشن والبروفيسور غو تشونيو في جامعة شنتشن مؤخراً بتطوير جهاز عالي الطاقة يعمل بتقنية الفيمتو ثانيةليزر الألياف النبضييتكون من مذبذب ألياف Er:ZBLAN مقفل النمط 2.8 ميكرومتر، ومضخم أولي لألياف Er:ZBLAN أحادي النمط، ومضخم رئيسي لألياف Er:ZBLAN ذي مجال نمط كبير.
استنادًا إلى نظرية الضغط الذاتي والتضخيم للنبضات فائقة القصر في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، والتي يتم التحكم فيها بواسطة حالة الاستقطاب، وإلى أعمال المحاكاة العددية التي أجراها فريقنا البحثي، وبالتزامن مع أساليب الكبح غير الخطي والتحكم في نمط الألياف الضوئية ذات النمط الكبير، وتقنية التبريد النشط، وبنية التضخيم لمضخة ثنائية الطرف، حقق النظام نبضات فائقة القصر بطول موجي 2.8 ميكرومتر، وبمتوسط قدرة 8.12 واط، وعرض نبضة 148 فيمتوثانية. وبذلك، تم تعزيز الرقم القياسي العالمي لأعلى متوسط قدرة حققه هذا الفريق البحثي.
الشكل 1: مخطط هيكلي لليزر ألياف Er:ZBLAN القائم على بنية MOPA
هيكلليزر الفيمتو ثانيةيوضح الشكل 1 النظام. استُخدم ليف Er:ZBLAN أحادي النمط مزدوج الغلاف بطول 3.1 متر كليف تضخيم في المضخم الأولي، بتركيز تطعيم 7% مول وقطر لب 15 ميكرومتر (NA = 0.12). في المضخم الرئيسي، استُخدم ليف Er:ZBLAN مزدوج الغلاف ذو مجال نمط كبير بطول 4 أمتار كليف تضخيم، بتركيز تطعيم 6% مول وقطر لب 30 ميكرومتر (NA = 0.12). يُتيح قطر اللب الأكبر لليف التضخيم معاملًا غير خطي أقل، ما يُمكّنه من تحمّل قدرة ذروة أعلى وخرج نبضي ذي طاقة نبضية أكبر. كلا طرفي ليف التضخيم مُدمجان بغطاء طرفي من AlF3.
تاريخ النشر: 19 فبراير 2024