إنجازٌ مذهل! أعلى طاقة في العالم للأشعة تحت الحمراء المتوسطة، 3 ميكرومترليزر الألياف الفيمتوثانية
ليزر الأليافلتحقيق خرج ليزر 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، وتتميز بفقدان نفاذ منخفض جدًا، وقوة ميكانيكية موثوقة، وثبات ممتاز. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع طاقة الفونون (1150 سم-1)، لا يمكن استخدام ألياف الكوارتز لنقل ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. لتحقيق نقل منخفض الفقدان 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)، ولكن لديها مشكلة عدم إمكانية زيادة تركيز التشويب، لذلك فهي غير مناسبة للاستخدام كألياف كسب لتوليد ليزر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. على الرغم من أن ركيزة زجاج الفلورايد تتمتع بطاقة فونون أعلى قليلاً (550 سم³) من ركيزة زجاج الكبريتيد، إلا أنها قادرة على تحقيق نقل منخفض الفقد لليزرات متوسطة الأشعة تحت الحمراء ذات الأطوال الموجية الأقل من 4 ميكرومتر. والأهم من ذلك، أن ركيزة زجاج الفلورايد قادرة على تحقيق تركيز عالٍ من التشويب لأيونات الأرض النادرة، مما يوفر الكسب اللازم لتوليد ليزرات متوسطة الأشعة تحت الحمراء. على سبيل المثال، استطاعت ألياف ZBLAN الفلورايدية الأكثر نضجًا لـ Er3+ تحقيق تركيز تشويب يصل إلى 10 مول. لذلك، تُعد مصفوفة زجاج الفلورايد المادة الأنسب لمصفوفات الألياف لليزرات متوسطة الأشعة تحت الحمراء.
في الآونة الأخيرة، قام فريق البروفيسور روان شوانغتشين والبروفيسور جيو تشونيو في جامعة شنتشن بتطوير فيمتوثانية عالية القدرةليزر الألياف النبضييتكون من مذبذب ألياف Er:ZBLAN مقفل الوضع 2.8 ميكرومتر، ومضخم ألياف Er:ZBLAN أحادي الوضع، ومضخم ألياف Er:ZBLAN رئيسي ذو مجال كبير.
استنادًا إلى نظرية الضغط الذاتي والتضخيم للنبضات فائقة القصر في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، المُتحكم بها بحالة الاستقطاب، وأعمال المحاكاة العددية التي أجراها فريقنا البحثي، بالإضافة إلى أساليب الكبت غير الخطي والتحكم في الوضع للألياف الضوئية كبيرة الحجم، وتقنية التبريد النشط، وهيكل التضخيم للمضخة ثنائية الأطراف، يُنتج النظام نبضات فائقة القصر بطول 2.8 ميكرومتر، بمتوسط قدرة 8.12 واط، وعرض نبضة 148 فيمتو ثانية. وقد تم تحديث الرقم القياسي الدولي لأعلى متوسط قدرة حققه هذا الفريق البحثي.
الشكل 1 مخطط هيكل ليزر الألياف Er:ZBLAN استنادًا إلى هيكل MOPA
هيكلليزر الفيمتوثانيةيظهر النظام في الشكل 1. استُخدمت ليف Er:ZBLAN أحادي الوضع، مزدوج الغلاف، بطول 3.1 متر كليف كسب في مُضخِّم الصوت الأولي، بتركيز تشويب 7 مول/لتر، وقطر قلب 15 ميكرومتر (NA = 0.12). في المُضخِّم الرئيسي، استُخدمت ليف Er:ZBLAN مزدوج الغلاف، واسع المجال، بطول 4 أمتار كليف كسب، بتركيز تشويب 6 مول/لتر، وقطر قلب 30 ميكرومتر (NA = 0.12). يُقلِّل قطر القلب الأكبر من معامل الكسب غير الخطي، ويُمكنه تحمُّل طاقة ذروة أعلى، وخرج نبضي ذي طاقة نبضية أكبر. يُوصَل طرفا ليف الكسب بغطاء طرفي من AlF3.
وقت النشر: ١٩ فبراير ٢٠٢٤