Sichtbares Licht unter 20 Femtosekundenabstimmbare gepulste Laserquelle
Kürzlich veröffentlichte ein Forscherteam aus Großbritannien eine innovative Studie, in der es bekannt gab, dass es erfolgreich ein abstimmbares, im Megawattbereich unter 20 Femtosekunden abstimmbares sichtbares Licht entwickelt hat.gepulste LaserquelleDiese gepulste Laserquelle, ultraschnellFaserlaserDas System ist in der Lage, Impulse mit einstellbarer Wellenlänge, ultrakurzer Dauer, Energien von bis zu 39 Nanojoule und Spitzenleistungen von über 2 Megawatt zu erzeugen und eröffnet damit völlig neue Anwendungsperspektiven in Bereichen wie der ultraschnellen Spektroskopie, der biologischen Bildgebung und der industriellen Verarbeitung.
Der Clou dieser Technologie liegt in der Kombination zweier hochmoderner Methoden: „Gain-Managed nonlinear Amplification (GMNA)“ und „Resonant Dispersive Wave (RDW) Emission“. Um solche leistungsstarken, abstimmbaren ultrakurzen Pulse zu erzeugen, waren bisher üblicherweise teure und komplexe Titan-Saphir-Laser oder optisch-parametrische Verstärker erforderlich. Diese Geräte waren nicht nur teuer, sperrig und schwierig zu warten, sondern auch durch niedrige Wiederholungsraten und Abstimmbereiche eingeschränkt. Die nun entwickelte Vollfaserlösung vereinfacht nicht nur die Systemarchitektur erheblich, sondern reduziert auch Kosten und Komplexität deutlich. Sie ermöglicht die direkte Erzeugung von Hochleistungspulsen mit einer Dauer von unter 20 Femtosekunden, abstimmbar auf 400 bis 700 Nanometer und darüber hinaus, bei einer hohen Wiederholungsfrequenz von 4,8 MHz. Das Forschungsteam erreichte diesen Durchbruch durch eine präzise konzipierte Systemarchitektur. Zunächst verwendeten sie einen vollständig polarisationserhaltenden, modengekoppelten Ytterbium-Faseroszillator auf Basis eines nichtlinearen Verstärkungsringspiegels (NALM) als Keimquelle. Dieses Design gewährleistet nicht nur die Langzeitstabilität des Systems, sondern vermeidet auch das Degradationsproblem physikalisch gesättigter Absorber. Nach Vorverstärkung und Pulskompression werden die Keimpulse in die GMNA-Stufe eingespeist. GMNA nutzt Selbstphasenmodulation und longitudinale asymmetrische Verstärkungsverteilung in Glasfasern, um eine spektrale Verbreiterung zu erreichen und ultrakurze Pulse mit nahezu perfekt linearem Chirp zu erzeugen, die schließlich durch Gitterpaare auf unter 40 Femtosekunden komprimiert werden. Während der RDW-Erzeugungsphase verwendeten die Forscher selbst entwickelte und hergestellte Neun-Resonator-Antiresonanz-Hohlkernfasern. Diese Art von Glasfaser weist extrem geringe Verluste im Pumppulsband und im sichtbaren Lichtbereich auf, wodurch die Energie effizient von der Pump- in die gestreute Welle umgewandelt und die durch das verlustreiche Resonanzband verursachten Interferenzen vermieden werden. Unter optimalen Bedingungen kann die vom System abgegebene Dispersionswellen-Impulsenergie 39 Nanojoule erreichen, die kürzeste Impulsbreite 13 Femtosekunden, die Spitzenleistung bis zu 2,2 Megawatt und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung bis zu 13 %. Noch spannender ist, dass sich das System durch Anpassung des Gasdrucks und der Faserparameter problemlos auf den Ultraviolett- und Infrarotbereich erweitern lässt, wodurch eine Breitbandabstimmung vom tiefen Ultraviolett bis zum Infrarotbereich erreicht wird.
Diese Forschung ist nicht nur für die Grundlagenforschung der Photonik von großer Bedeutung, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für Industrie und Anwendungen. Beispielsweise bietet diese kompakte, effiziente und kostengünstige neue Art ultraschneller Lichtquellen Anwendern in Bereichen wie der Multiphotonenmikroskopie, der ultraschnellen zeitaufgelösten Spektroskopie, der Materialbearbeitung, der Präzisionsmedizin und der ultraschnellen nichtlinearen Optikforschung beispiellose Werkzeuge und Flexibilität. Insbesondere in Szenarien, die hohe Wiederholungsraten, Spitzenleistungen und ultrakurze Pulse erfordern, ist diese Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Titan-Saphir- oder optisch-parametrischen Verstärkungssystemen zweifellos wettbewerbsfähiger und bietet ein größeres Wachstumspotenzial.
Das Forschungsteam plant, das System künftig weiter zu optimieren. Dazu gehört beispielsweise die Integration der aktuellen Architektur mit mehreren optischen Freiraumkomponenten in Glasfasern oder die Verwendung eines einzelnen Mamyshev-Oszillators anstelle der bisherigen Oszillator-Verstärker-Kombination, um die Miniaturisierung und Integration des Systems zu erreichen. Darüber hinaus soll das System durch die Anpassung an verschiedene Arten von Antiresonanzfasern, die Einführung von Raman-aktiven Gasen und Frequenzverdopplungsmodulen auf ein breiteres Spektrum erweitert werden und so vollfaserbasierte, breitbandige, ultraschnelle Laserlösungen für verschiedene Bereiche wie Ultraviolett, sichtbares Licht und Infrarot bieten.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Abstimmung des gepulsten Lasers
Veröffentlichungszeit: 28. Mai 2025