Durchbruch! Der weltweit leistungsstärkste 3-μm-Femtosekunden-Faserlaser im mittleren Infrarot

Durchbruch! Die weltweit leistungsstärkste 3-μm-Mittelinfrarot-Femtosekunden-Faserlaser

FaserlaserUm eine Laserleistung im mittleren Infrarotbereich zu erzielen, muss zunächst das geeignete Fasermatrixmaterial ausgewählt werden. Bei Nahinfrarot-Faserlasern ist eine Quarzglasmatrix das am häufigsten verwendete Fasermatrixmaterial mit sehr geringen Übertragungsverlusten, zuverlässiger mechanischer Festigkeit und ausgezeichneter Stabilität. Aufgrund der hohen Phononenenergie (1150 cm-1) können Quarzfasern jedoch nicht für die Mittelinfrarot-Laserübertragung verwendet werden. Um eine verlustarme Übertragung von Mittelinfrarotlasern zu erreichen, müssen andere Fasermatrixmaterialien mit niedrigerer Phononenenergie ausgewählt werden, beispielsweise eine Sulfidglasmatrix oder eine Fluoridglasmatrix. Sulfidfasern haben die niedrigste Phononenenergie (ca. 350 cm-1), weisen jedoch das Problem auf, dass die Dotierungskonzentration nicht erhöht werden kann. Daher sind sie als Verstärkungsfasern zur Erzeugung von Mittelinfrarotlasern nicht geeignet. Obwohl das Fluoridglassubstrat eine etwas höhere Phononenenergie (550 cm-1) als das Sulfidglassubstrat aufweist, ermöglicht es dennoch eine verlustarme Übertragung für Mittelinfrarotlaser mit Wellenlängen unter 4 μm. Wichtiger noch: Das Fluoridglassubstrat kann eine hohe Dotierungskonzentration mit Seltenerdionen erreichen, die die für die Erzeugung von Mittelinfrarotlasern erforderliche Verstärkung liefert. Beispielsweise konnte die ausgereifteste Fluorid-ZBLAN-Faser für Er3+ eine Dotierungskonzentration von bis zu 10 Mol erreichen. Daher ist die Fluoridglasmatrix das am besten geeignete Fasermatrixmaterial für Mittelinfrarot-Faserlaser.

Kürzlich entwickelte das Team von Professor Ruan Shuangchen und Professor Guo Chunyu an der Universität Shenzhen einen Hochleistungs-Femtosekunden-Pulsfaserlaserbestehend aus einem 2,8 μm modengekoppelten Er:ZBLAN-Faseroszillator, einem Singlemode-Er:ZBLAN-Faservorverstärker und einem Großmodenfeld-Er:ZBLAN-Faserhauptverstärker.
Basierend auf der Selbstkompressions- und Verstärkungstheorie von ultrakurzen Pulsen im mittleren Infrarot, gesteuert durch den Polarisationszustand, und numerischen Simulationsarbeiten unserer Forschungsgruppe, kombiniert mit nichtlinearen Unterdrückungs- und Modensteuerungsmethoden von Großmoden-Glasfasern, aktiver Kühltechnologie und der Verstärkungsstruktur einer doppelseitigen Pumpe, erreicht das System einen 2,8 μm langen ultrakurzen Pulsausgang mit einer Durchschnittsleistung von 8,12 W und einer Pulsbreite von 148 fs. Der internationale Rekord der höchsten Durchschnittsleistung, den diese Forschungsgruppe erreicht hat, wurde erneut verbessert.

Abbildung 1 Strukturdiagramm des Er:ZBLAN-Faserlasers basierend auf der MOPA-Struktur
Die Struktur derFemtosekundenlaserDas System ist in Abbildung 1 dargestellt. Die 3,1 m lange, doppelummantelte Singlemode-Er:ZBLAN-Faser mit einer Dotierungskonzentration von 7 Mol% und einem Kerndurchmesser von 15 μm (NA = 0,12) wurde als Verstärkungsfaser im Vorverstärker verwendet. Im Hauptverstärker wurde eine 4 m lange, doppelummantelte Großmodenfeld-Er:ZBLAN-Faser mit einer Dotierungskonzentration von 6 Mol% und einem Kerndurchmesser von 30 μm (NA = 0,12) als Verstärkungsfaser verwendet. Durch den größeren Kerndurchmesser hat die Verstärkungsfaser einen niedrigeren nichtlinearen Koeffizienten und kann höhere Spitzenleistungen und Impulsausgaben mit größerer Impulsenergie aushalten. Beide Enden der Verstärkungsfaser sind mit der AlF3-Anschlusskappe verschmolzen.