sichtbares Licht im Sub-20-Femtosekundenbereichabstimmbare gepulste Laserquelle
Kürzlich veröffentlichte ein Forschungsteam aus Großbritannien eine innovative Studie, in der es die erfolgreiche Entwicklung eines abstimmbaren, im Megawattbereich arbeitenden, im Femtosekundenbereich abstimmbaren sichtbaren Lichtsystems bekannt gab.gepulste LaserquelleDiese gepulste Laserquelle ist ultraschnell.FaserlaserDas System ist in der Lage, Impulse mit abstimmbaren Wellenlängen, ultrakurzen Dauern, Energien von bis zu 39 Nanojoule und Spitzenleistungen von über 2 Megawatt zu erzeugen und eröffnet damit völlig neue Anwendungsmöglichkeiten für Bereiche wie ultraschnelle Spektroskopie, biologische Bildgebung und industrielle Verarbeitung.
Das Kernstück dieser Technologie liegt in der Kombination zweier zukunftsweisender Verfahren: „Gain-Managed Nonlinear Amplification (GMNA)“ und „Resonant Dispersive Wave (RDW)-Emission“. Um solch leistungsstarke, abstimmbare Ultrakurzpulse zu erzeugen, waren bisher teure und komplexe Titan-Saphir-Laser oder optische parametrische Verstärker erforderlich. Diese Geräte waren nicht nur kostspielig, sperrig und wartungsintensiv, sondern auch durch geringe Wiederholraten und Abstimmbereiche eingeschränkt. Die neu entwickelte Glasfaserlösung vereinfacht die Systemarchitektur erheblich und reduziert Kosten und Komplexität deutlich. Sie ermöglicht die direkte Erzeugung von Hochleistungspulsen unter 20 Femtosekunden, die auf 400 bis 700 Nanometer und darüber hinaus abstimmbar sind, bei einer hohen Wiederholfrequenz von 4,8 MHz. Diesen Durchbruch erzielte das Forschungsteam durch eine präzise entwickelte Systemarchitektur. Zunächst nutzten sie einen vollständig polarisationserhaltenden, modengekoppelten Ytterbium-Faseroszillator auf Basis eines nichtlinearen Verstärkungsringspiegels (NALM) als Seed-Quelle. Dieses Design gewährleistet nicht nur die Langzeitstabilität des Systems, sondern vermeidet auch die Degradationsproblematik physikalisch gesättigter Absorber. Nach Vorverstärkung und Pulskompression werden die Seed-Pulse in die GMNA-Stufe eingespeist. GMNA nutzt Selbstphasenmodulation und longitudinale asymmetrische Verstärkungsverteilung in optischen Fasern, um eine spektrale Verbreiterung zu erzielen und ultrakurze Pulse mit nahezu perfektem linearem Chirp zu erzeugen, die schließlich mittels Gitterpaaren auf unter 40 Femtosekunden komprimiert werden. In der RDW-Erzeugungsphase verwendeten die Forscher selbstentwickelte und gefertigte Neun-Resonator-Antiresonanz-Hohlkernfasern. Diese Art von optischer Faser weist extrem geringe Verluste im Pumppulsband und im sichtbaren Lichtbereich auf, wodurch die Energie effizient vom Pumpimpuls in die dispergierte Welle umgewandelt und Interferenzen durch das verlustreiche Resonanzband vermieden werden. Unter optimalen Bedingungen kann die Impulsenergie des Dispersionswellensystems 39 Nanojoule erreichen, die kürzeste Impulsdauer 13 Femtosekunden, die Spitzenleistung bis zu 2,2 Megawatt und der Wirkungsgrad bis zu 13 %. Besonders interessant ist, dass sich das System durch Anpassung des Gasdrucks und der Faserparameter problemlos auf den ultravioletten und infraroten Spektralbereich erweitern lässt und somit eine Breitbandabstimmung vom tiefen Ultraviolett bis zum Infrarot ermöglicht.
Diese Forschung ist nicht nur für die Grundlagenforschung in der Photonik von großer Bedeutung, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für Industrie und Anwendung. So bietet diese kompakte, effiziente und kostengünstige neue Art von ultraschneller Lichtquelle beispielsweise in Bereichen wie der Multiphotonenmikroskopie, der ultraschnellen zeitaufgelösten Spektroskopie, der Materialbearbeitung, der Präzisionsmedizin und der ultraschnellen nichtlinearen Optikforschung beispiellose Möglichkeiten und Flexibilität. Insbesondere in Szenarien, die hohe Wiederholraten, Spitzenleistungen und ultrakurze Pulse erfordern, ist diese Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Titan-Saphir- oder optischen parametrischen Verstärkungssystemen deutlich wettbewerbsfähiger und birgt ein größeres Entwicklungspotenzial.
Zukünftig plant das Forschungsteam, das System weiter zu optimieren. Dazu gehört die Integration der aktuellen Architektur mit mehreren optischen Freiraumkomponenten in Glasfasern oder sogar der Einsatz eines einzelnen Mamyshev-Oszillators anstelle der bisherigen Oszillator-Verstärker-Kombination, um die Miniaturisierung und Integration des Systems zu erreichen. Durch die Anpassung an verschiedene Antiresonanzfasern, den Einsatz von Raman-aktiven Gasen und Frequenzverdopplungsmodulen soll das System zudem auf ein breiteres Frequenzband erweitert werden. So sollen vollständig faseroptische, breitbandige und ultraschnelle Laserlösungen für verschiedene Anwendungsbereiche wie Ultraviolett, sichtbares Licht und Infrarot bereitgestellt werden.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Abstimmung des gepulsten Lasers
Veröffentlichungsdatum: 28. Mai 2025