Прорыв в области волокон с сердцевиной, дальнейшее расширение применения лазеров в среднем инфракрасном диапазоне

Новости

 Прорыв в области волокон с сердцевиной, дальнейшее расширение применения лазеров в среднем инфракрасном диапазоне 

2025-06-24

Недавно Центр передовых световых волн им. Рассела Института оптики и точной механики Ханчжоу, Институт перспективных исследований Ханчжоуского университета науки и технологий ООН, Шанхайский институт оптики и точной механики Китайской академии наук и Ifibo (Ningbo) Optoelectronics Technology Co., Ltd. опубликовали свои последние результаты исследований в ведущем международном оптическом журнале «Optica» и впервые добились высокоэффективной, высокоточной и высокоодномодовой гибкой передачи околоваттных, сотен фемтосекунд, 2,8 мкм импульсов в диапазоне среднего инфракрасного диапазона в полом фотонно-кристаллическом волокне (полое сердечник PCF). Этот результат не только обеспечивает эффективное решение недостатков сверхбыстрых импульсов среднего инфракрасного диапазона при передаче, но и закладывает основу для расширения приложений лазеров среднего инфракрасного диапазона

Мощные сверхбыстрые широкополосные источники света среднего инфракрасного диапазона имеют важные приложения в передовой спектроскопии, тонкой обработке материалов, медицинской хирургии и дистанционном зондировании. Ограничения лазерной передачи препятствовали дальнейшему расширению приложений лазеров среднего инфракрасного диапазона. В традиционных методах передачи поглощение различных молекул газа в пространственном оптическом пути вызывает деформацию выходного светового пятна и ухудшение качества импульса. Твердое оптическое волокно среднего инфракрасного диапазона имеет серьезное нелинейное накопление, что вызывает серьезные искажения выходного сигнала времени-частоты. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа использовала самодельную одноотверстную восьмикольцевую структуру Hollow-core PCF (длина 5 м) для передачи сверхбыстрых импульсов среднего инфракрасного диапазона. Благодаря преимуществам низких потерь при передаче, низкому накоплению нелинейного эффекта и поддержке быстрого вакуумного извлечения полого PCF, команда не только решила проблемы, вызванные традиционными методами передачи, но и успешно достигла эффективной передачи с общей эффективностью >70%.

Во время эксперимента экспериментаторы использовали самодельный импульсный волоконный лазер среднего инфракрасного диапазона в качестве источника света и полое PCF длиной 5 м в качестве среды передачи. Два конца полого PCF были закреплены в воздушной камере, так что полое PCF можно было откачать с помощью вакуумного насоса. После того, как был создан вакуум (весь процесс извлечения занял менее 1 минуты, а давление газа было доведено до ~10 мбар), команда успешно достигла общей эффективности лазера > 70%, выходного гауссова пятна, близкого к дифракционному пределу, и вся система показала превосходную стабильность. Кроме того, спектральная форма выходного сигнала в частотной области в основном соответствовала входному сигналу. Во временной области из-за небольшого количества волноводной дисперсии полого сердечника PCF (-2,04 фс2/мм при 2,8 мкм) ширина импульса была расширена с входных 117 фс до 404 фс. Впоследствии экспериментаторы добавили материалы с положительной дисперсией Ge и ZnSe для компенсации отрицательной дисперсии, вносимой полым сердечником PCF, линзой связи и окном воздушной камеры, и получили выход с шириной импульса 98 фс (близко к предельной ширине импульса преобразования 96 фс) с пиковой мощностью 170 кВт. Кроме того, экспериментаторы также использовали автокорреляционный след, чтобы оценить, что выходная энергия основной моды составила >95%.

Экспериментаторы также сравнили схему передачи с пространственным оптическим путем той же длины и фторидным волокном со сплошным сердечником. Результаты показывают, что при передаче сверхбыстрых импульсов в фторидных волокнах со сплошным сердечником нелинейный эффект слишком силен, что приводит к временному расщеплению импульсов и очевидному спектральному красному смещению, что подтверждает уникальные преимущества полых фотонно-кристаллических волокон в передаче сверхбыстрых импульсов средней инфракрасной области с высокой пиковой мощностью. Эксперимент позволил достичь высокоэффективной, высокоточной и высокоодномодовой чистоты технологии гибкой передачи лазера средней инфракрасной области, заложив хорошую основу для применения широкополосных сверхбыстрых источников света средней инфракрасной области в спектроскопии, инфракрасных контрмерах и дистанционном зондировании.

Соответствующие результаты исследований были опубликованы в ведущем журнале лазеров и оптоэлектроники Optica под названием «Гибкая доставка широкополосных, 100 фемтосекундных средне-инфракрасных импульсов в полосе поглощения воды с использованием полого фотонно-кристаллического волокна». Линь Вэй, совместный докторант Шанхайского института оптики и точной механики и Научно-технического университета Китая Ханчжоуского института передовых технологий, и Ли Цзэцин, докторант Шанхайского института оптики и точной механики, являются соавторами, а Хуан Цзяпэн, Цзян Синь и Пан Мэн из Центра Рассела являются соавторами.

Рисунок 1. Экспериментальная установка и результаты. (a) Экспериментальный оптический путь. Линза, покрыта плосковыпуклой линзой CaF2; HWP, полуволновая пластина; QWP, четвертьволновая пластина; FM, изогнутое зеркало; FTIR, инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье; AC, автокоррелятор. (b) СЭМ-изображение структуры волокна. (c) Спектр потерь, измеренный с использованием метода усечения, заштрихованная область представляет собой неопределенность измерения (оранжевый, левая ось) и рассчитанную дисперсионную кривую (синий, правая ось). (d) Выходная мощность через 5-метровый полый сердечник PCF. (e) Используя материалы ZnSe толщиной 30 мм и Ge толщиной 5 мм, был достигнут импульсный выход с шириной импульса, близкой к ограниченной преобразованием, 98 фс.

Рисунок 2. Сравнение различных режимов передачи. (a) Нормализованный спектр поглощения водяного пара. (b) Прямой лазерный выход (серый) и спектр пропускания в пространственном оптическом пути (фиолетовый), спектр пропускания полого PCF в воздухе (зеленый) и спектр пропускания полого PCF в вакууме (красный). Справа показан увеличенный спектр в диапазоне 2,7-2,8 мкм. (c) Генерация рамановского солитона в волокне из фторида со сплошным сердечником. Спектр FTIR находится слева, а след автокорреляции — справа.

Домашняя страница
Продукция
О Нас
Контакты

Пожалуйста, оставьте нам сообщение