يعمل ليزر الفيمتو ثانية بمثابة "مشارط بصرية" عالية الدقة، حيث يلعب دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في الآلات الدقيقة والجراحة الطبية والكشف الطيفي والبحث العلمي. تغطي هذه الليزرات، خاصة في نطاق الطول الموجي 2 ميكرومتر، مستويات طاقة اهتزازية جزيئية متعددة وتتداخل مع قمم الامتصاص لمختلف المركبات الأمينية والأنسجة البيولوجية. وبالتالي، فإن متطلبات تطبيقهم تعتبر ملحة بشكل خاص في مجالات مثل-معالجة المواد غير المعدنية والهندسة الطبية الحيوية.
ومع ذلك، فإن تضخيم ليزرات بذور الفيمتو ثانية الضعيفة إلى طاقة عالية أمر صعب للغاية. يكمن التحدي الرئيسي في التفاعلات غير الخطية المكثفة بين الكثافة البصرية العالية للغاية لنبضة الفمتوثانية ووسط التضخيم أثناء التضخيم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي التأثيرات الحرارية الشديدة عند معدلات التكرار العالية إلى انخفاض جودة الشعاع، وتسبب تشويه النبض، وحتى إتلاف المكونات البصرية. تستخدم الحلول الحالية في المقام الأول تقنية تضخيم النبضة الزقزقة (CPA)، والتي تتضمن أولاً توسيع النبض مؤقتًا (تقليل طاقة الذروة)، وتضخيم طاقة الليزر إلى مستوى معين، ثم ضغطها مرة أخرى. ومع ذلك، فإن هذا النظام معقد ومكلف وضخم. لذلك، أصبحت القدرة على التخلص من خطوات التوسيع والضغط وتحقيق "التضخيم المباشر" لنبضات فيمتوثانية 2 ميكرومتر مع الحفاظ على بنية بسيطة ومدمجة وقدرة قوية على التعامل مع الطاقة نقطة بحثية ساخنة في مجال تكنولوجيا التضخيم.
مضخم ليزر الفيمتو ثانية يعتمد على SCF "المنفصل".
Recently, researchers including Wang Jianlei and Zhao Yongguang from the State Key Laboratory of Crystal Materials at Shandong University proposed an innovative B-integral (nonlinear phase shift) management strategy. By employing a discrete single-crystal fiber (SCF) configuration in the power amplification stage, they successfully achieved direct amplification of 2 μm femtosecond pulses at high repetition rates. The system achieved femtosecond laser output with an average power exceeding 56 W at a 75.45 MHz repetition rate, demonstrating exceptionally high optical-to-optical extraction efficiency (>55%) وقريبة من -الحيود-جودة شعاع محدودة (M² <1.2). توضح الدراسة أن تخطيط SCF المنفصل يقلل بشكل كبير من تحول الطور غير الخطي التراكمي، ويقمع بشكل فعال التأثيرات غير الخطية الضارة ويضمن تطورًا طيفيًا وزمنيًا مستقرًا أثناء التضخيم. يتيح هذا النهج البسيط والمدمج والفعال تضخيم نبضات فائقة القصر بحجم 2 ميكرومتر بمعدلات تكرار من ميجا هرتز إلى كيلو هرتز، مما يفتح طرقًا جديدة لتحقيق طاقة متوسطة / ذروة عالية وإظهار إمكانات هائلة لتطبيقات الضوئيات غير الخطية الحديثة.
يشتمل هيكل نظام تضخيم Ho:YAG SCF، كما هو موضح في الشكل 1، على مصدر بذور ليزر، ومرحلة مضخم أولي، ومرحلة مضخم (تتكون من ثلاث سلاسل- متصلة بنسبة 0.5% مخدرة Ho:YAG SCFs). يوفر مصدر بذور الليزر طاقة متوسطة تبلغ 0.45 واط عند 2091 نانومتر، مع عرض نبض زمني يبلغ 360 fs ومعدل تكرار قدره 75.45 ميجاهرتز. بعد المرور بمرحلة المضخم الأولي ومرحلة مضخم القدرة الترادفية SCF، يزداد متوسط الطاقة إلى 56.3 واط، ويتسع النبض الزمني إلى 778 fs. يظهر الشكل 2 الخصائص الطيفية والتطور الزمني لنبض الخرج النهائي من نظام التضخيم بأكمله.
الشكل 1: رسم تخطيطي لنظام التضخيم Ho:YAG SCF
الشكل 2: التطور الطيفي والزمني لنظام تضخيم Ho:YAG SCF
في تقنيات التضخيم التقليدية، يعاني التضخيم المباشر لنبضات الفيمتو ثانية من تشويه النبض وتدهور الشعاع بسبب تأثيرات التركيز الذاتي- الناتجة عن تحولات الطور غير الخطية القوية. يحصر هذا القيد مكبرات الصوت السائبة/الألياف للعمل فقط ضمن نطاق نبض البيكو ثانية. وهذا يستلزم أنظمة تضخيم النبض الزقزقي (CPA) القائمة على تمديد النبض وضغطه. في حين أن أنظمة تضخيم النبضة الزقزقة البصرية البارامترية (OPCPA) يمكنها تحقيق طاقة نبضية بمستوى ملي واط بمعدلات تكرار كيلوهرتز، فإن التأثيرات الحرارية تحد من التحسينات في متوسط الطاقة والكفاءة. في حين أن أنظمة CPA المعتمدة على الألياف- توفر مزايا مميزة في متوسط الطاقة العالي وجودة الشعاع العالية، فإن طاقة الخرج/طاقة الذروة مقيدة بالتأثيرات غير الخطية والأضرار البصرية. ونتيجة لذلك، تكافح التقنيات الحالية لتحسين مقاييس الأداء الرئيسية الثلاثة في وقت واحد: الطاقة، ومعدل التكرار، وعرض النبض. تقترح هذه الدراسة بشكل مبتكر تكوينًا منفصلاً لسلسلة Ho:YAG SCF. من خلال مقاطعة مسار التراكم المستمر لإزاحة الطور غير الخطية بشكل جزئي، فإنه يقلل إجمالي B-تكامل نظام التضخيم. يعمل هذا الأسلوب على موازنة طول SCF مع طول التركيز الذاتي-وبالتالي تقليل مخاطر التركيز الذاتي-. من خلال استخدام بنية ألياف بلورية واحدة-منفصلة، نجح هذا العمل في التغلب على التحديات الطويلة الأمد- المتمثلة في قمع التأثير غير الخطي وتحسين الكفاءة في تضخيم ليزر الفيمتو ثانية بمقدار 2 ميكرومتر. إنه يحقق اختراقات كبيرة في أداء الليزر من خلال نظام تضخيم عالي الكفاءة ومبسط هيكليًا.
يوضح هذا العمل تقنية التضخيم المباشر لأشعة ليزر الفيمتو ثانية 2 ميكرومتر، مما يوفر مسارًا تقنيًا جديدًا لتطوير أجهزة ليزر فائقة السرعة مدمجة وفعالة وعالية الأداء - 2 ميكرومتر. ستعمل الجهود المستقبلية على دمج تقنيات اختيار النبض وتقنيات ما بعد الضغط لتحقيق طاقة نبضة مفردة أعلى- وعرض نبضات أقصر.
