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

Durchbruch! Die weltweit leistungsstärkste 3-µm-Mittel-InfrarotkameraFemtosekunden-Faserlaser

FaserlaserUm Laserstrahlung im mittleren Infrarotbereich zu erzeugen, ist die Wahl des geeigneten Fasermatrixmaterials der erste Schritt. Bei Nahinfrarot-Faserlasern ist Quarzglas aufgrund seiner sehr geringen Übertragungsverluste, zuverlässigen mechanischen Festigkeit und ausgezeichneten Stabilität das gängigste Material. Aufgrund der hohen Phononenenergie (1150 cm⁻¹) eignet sich Quarzglas jedoch nicht für die Übertragung von Laserstrahlung im mittleren Infrarotbereich. Um eine verlustarme Übertragung im mittleren Infrarotbereich zu erreichen, müssen daher andere Fasermatrixmaterialien mit niedrigerer Phononenenergie, wie beispielsweise Sulfid- oder Fluoridglas, in Betracht gezogen werden. Sulfidglas weist die niedrigste Phononenenergie (ca. 350 cm⁻¹) auf, hat aber den Nachteil, dass die Dotierungskonzentration nicht erhöht werden kann und es sich daher nicht als Verstärkungsfaser für die Erzeugung von Laserstrahlung im mittleren Infrarotbereich eignet. Obwohl das Fluoridglassubstrat eine etwas höhere Phononenenergie (550 cm⁻¹) als das Sulfidglassubstrat aufweist, ermöglicht es dennoch eine verlustarme Transmission für Mittel-Infrarot-Laser mit Wellenlängen unter 4 μm. Noch wichtiger ist, dass das Fluoridglassubstrat eine hohe Dotierungskonzentration von Seltenerdionen ermöglicht, wodurch die für die Mittel-Infrarot-Lasererzeugung erforderliche Verstärkung erzielt wird. Beispielsweise konnte mit der ausgereiftesten Fluorid-ZBLAN-Faser für Er³⁺ eine Dotierungskonzentration von bis zu 10¹⁰ mol erreicht werden. Daher ist die Fluoridglasmatrix das geeignetste Fasermatrixmaterial für Mittel-Infrarot-Faserlaser.

Kürzlich entwickelte das Team um Professor Ruan Shuangchen und Professor Guo Chunyu an der Universität Shenzhen einen Hochleistungs-Femtosekundenlaser.gepulster Faserlaserbestehend aus einem 2,8 μm modengekoppelten Er:ZBLAN-Faseroszillator, einem Einmoden-Er:ZBLAN-Faservorverstärker und einem Großmoden-Er:ZBLAN-Faserhauptverstärker.
Basierend auf der Theorie der Selbstkompression und Verstärkung von polarisationszustandsgesteuerten ultrakurzen Infrarotpulsen sowie numerischen Simulationen unserer Forschungsgruppe und in Kombination mit nichtlinearen Unterdrückungs- und Modensteuerungsverfahren für großmodige optische Fasern, aktiver Kühltechnologie und einer doppelseitigen Pumpverstärkungsstruktur, erzielt das System einen 2,8 μm ultrakurzen Puls mit einer mittleren Leistung von 8,12 W und einer Pulsdauer von 148 fs. Der bisher von unserer Forschungsgruppe erreichte internationale Rekord für die höchste mittlere Leistung wurde damit erneut übertroffen.

Abbildung 1 Strukturdiagramm eines Er:ZBLAN-Faserlasers basierend auf einer MOPA-Struktur
Die Struktur derFemtosekundenlaserDas System ist in Abbildung 1 dargestellt. Im Vorverstärker wurde eine 3,1 m lange, doppelmantelige Er:ZBLAN-Einzelmodenfaser mit einer Dotierungskonzentration von 7 Mol-% und einem Kerndurchmesser von 15 μm (NA = 0,12) als Verstärkungsfaser verwendet. Im Hauptverstärker kam eine 4 m lange, doppelmantelige Er:ZBLAN-Großmodenfeldfaser mit einer Dotierungskonzentration von 6 Mol-% und einem Kerndurchmesser von 30 μm (NA = 0,12) als Verstärkungsfaser zum Einsatz. Der größere Kerndurchmesser bewirkt einen niedrigeren nichtlinearen Koeffizienten der Verstärkungsfaser und ermöglicht die Übertragung höherer Spitzenleistungen und Impulsenergien. Beide Enden der Verstärkungsfaser sind mit der AlF₃-Endkappe verschmolzen.