Hochleistungs-FemtosekundenLaserhat einen großen Anwendungswert in der wissenschaftlichen Forschung und in industriellen Bereichen wie der Terahertz-Erzeugung, der Attosekunden-Impulserzeugung und dem optischen Frequenzkamm.Mod-locked Laserauf der Grundlage herkömmlicher Blockverstärkungsmedien sind bei hoher Leistung durch den thermischen Linseneffekt begrenzt, und derzeit liegt die maximale Ausgangsleistung bei etwa 20 W.
Dünnschichtlaser nutzt eine Mehrwege-Pumpstruktur zur Reflexion derPumpenlichtzum 100 Mikrometer dicken Schichtverstärkungsmedium für eine hocheffiziente Pumpabsorption. Das extrem dünne Verstärkungsmedium in Kombination mit der Rückkühlungstechnologie reduziert den Einfluss des thermischen Linseneffekts und des nichtlinearen Effekts erheblich und ermöglicht eine höhere Femtosekunden-Impulsleistung.
Wafer-Oszillatoren in Kombination mit der Modenkopplungstechnologie von Kerr-Linsen sind das wichtigste Mittel, um eine Laserleistung mit hoher Durchschnittsleistung und einer Pulsbreite im Femtosekundenbereich zu erzielen.
Abb. 1 (a) 72 optisches Strukturdiagramm und (b) physikalisches Diagramm des Pumpmoduls
Ein Forscherteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat einen modengekoppelten Kerr-Linsen-Schichtlaser auf Basis des selbst entwickelten 72-Wege-Pumpmoduls entworfen und gebaut und einen modengekoppelten Kerr-Linsen-Schichtlaser mit der höchsten Durchschnittsleistung und Einzelpulsenergie in China entwickelt.
Basierend auf dem Prinzip der Kerr-Linsen-Modenkopplung und der iterativen Berechnung der ABCD-Matrix analysierte das Forschungsteam zunächst die Modenkopplungstheorie des modengekoppelten Lasers mit dünner Kerr-Linse-Platte, simulierte die Modusänderungen im Resonator während des Modenkopplungsbetriebs und des Dauerbetriebs und bestätigte, dass der Hohlraummodusradius an der harten Membran nach der Modenkopplung um mehr als 7 % reduziert wird.
Anschließend entwarf und baute das Forschungsteam, geleitet vom Konstruktionsprinzip, einen modengekoppelten Kerr-Linsen-Resonator (Abb. 2) auf Basis des eigenständig entwickelten 72-Wege-Pumpmoduls (Abb. 1). Es erreichte einen gepulsten Laserausgang mit einer durchschnittlichen Leistung von 11,78 W, einer Pulsbreite von 245 fs und einer Einzelpulsenergie von 0,14 µJ bei einer Pumpzeit von 72 W. Die Breite des Ausgangspulses und die Variation des Intracavity-Modus stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein.
Abb. 2 Schematische Darstellung des Resonanzhohlraums des im Experiment verwendeten Kerr-Linsen-modegekoppelten Yb:YAG-Waferlasers
Um die Ausgangsleistung des Lasers zu verbessern, vergrößerte das Forschungsteam den Krümmungsradius des Fokussierspiegels und optimierte die Dicke des Kerr-Mediums sowie die Dispersion zweiter Ordnung. Bei einer Pumpleistung von 94 W erhöhte sich die durchschnittliche Ausgangsleistung auf 22,33 W, die Pulsbreite betrug 394 fs und die Einzelpulsenergie 0,28 μJ.
Um die Ausgangsleistung weiter zu erhöhen, wird das Forschungsteam den Krümmungsradius des fokussierten konkaven Spiegelpaars weiter vergrößern und den Resonator in einer geschlossenen Umgebung mit niedrigem Vakuum platzieren, um den Einfluss von Luftstörungen und Luftdispersion zu verringern.
Veröffentlichungszeit: 15. August 2023