Millifocal less-cycle laser sources in the short-wavelength infrared can drive two-color plasmas to produce terahertz pulses at higher efficiencies, as well as optically aberrated mid-infrared femtosecond pulses >5 μm i ikke-oksiderte krystaller. Thulium-dopet fiberlasersystem kan produsere hundre femtosekundspulser med en sentral bølgelengde nær 2 μm. Limpert-gruppen i Jena, Tyskland, syntetiserte koherent utgangene fra fire thulium-dopet fiberforsterkere i 2022 [1], og oppnådde til slutt 85 fs-pulser med en pulsenergi på 1,65 mJ og en repetisjonsfrekvens på 100 kHz, som bryter gjennom begrensninger for en enkelt optisk fiber på enkeltpulsenergien og gjennomsnittseffekten. Enheten er vist i fig. 1.
Figur 1 Skjematisk diagram av den koherente synteseanordningen med fire thulium-dopete fibre.
For å forkorte pulsbredden ytterligere, vil Limperts gruppe bruke enheten ovenfor som en front-end i 2023, og bruke hulkjernet optisk fiber for komprimering. Strukturen til kompresjonsanordningen er vist i fig. 2, inkludert to vakuumkamre for henholdsvis inngang og utgang, og et høyspentkammer for ikke-lineær utvidelse, som er fylt med argongass. For å redusere vanndampabsorpsjonen holdes lufttrykket i begge vakuumkamrene<1 mabr. The bottom side of the high-voltage chamber is equipped with water cooling to dissipate the heat, avoiding harmful thermal effects at high power. The hollow core fiber is placed on a long straight V-groove to avoid bending loss. The core diameter of the hollow core fiber is 500 μm, the length is 1.05 m. The internal nonlinear gas is selected as argon, and the theoretical maximum passing efficiency is 89.5%.
Figur 2 Skjematisk diagram av kompresjonsanordningen for hulkjernefiber
Gradvis økende gasstrykk inne i hulrommet, de tilsvarende utgangsresultatene er vist i figur 3. Når gasstrykket er lavere enn 3 bar, er utgangseffekten rundt 139 W og strålekvaliteten forblir god (fig. 3a). Når lufttrykket er høyere enn 3 bar, begynner utgangseffekten å avta og strålekvaliteten forringes betydelig, og punktet har avviket fra Gauss-strålen ved 4,25 bar, som vist i fig. 3b. Figur 3c analyserer spektralbreddene til utgangene under forskjellige lufttrykk. Etter at lufttrykket overstiger 3 bar, utvides ikke lenger spektrene vesentlig med økningen av lufttrykket, og de tilsvarende transformasjonsgrensepulsene forblir i hovedsak uendret. Forfatterne vurderte de ovennevnte faktorene og valgte til slutt 3 bar lufttrykk for de påfølgende eksperimentene.
Fig. 3 Utgangsresultater av forskjellige lufttrykk i en hulkjernefiber
Spektrene og autokorrelasjonskurvene målt ved 3 bars lufttrykk er vist i fig. 4, med spektrene som dekker 1,2 μm-2,4 μm. Etter å ha brukt et par kvitrede speil for å kompensere for spredningen, reduseres pulsbredden til 10.2 fs, gjennomsnittseffekten er 132 W, og hovedtoppenergien til pulsene utgjør 66 prosent av energi, med toppeffekt så høy som 80 GW. Fig. 5 viser resultatene av stabilitetstesten, og den relative intensitetsstøyen til front-end-utgangen er 0,75 prosent. som er konsentrert i frekvensområdet 20 Hz til 50 kHz. Etter ikke-lineær pulskompresjon er hovedstøybidraget i lavfrekvensområdet så lavt som 2 kHz, som kommer fra den mekaniske vibrasjonen til vannkjølings- og vakuumpumpen, noe som beviser at det ikke er noen introduksjon av ytterligere støy under kompresjonsprosessen, noe som sikrer stabiliteten til lyskilden.
Fig. 4 Spektral- og autokorrelasjonsmålinger ved 3 bar lufttrykk
Fig. 5 Korttidsstabilitetstest
I denne artikkelen oppnås en høyenergi femtosekundpuls med en senterbølgelengde på 1,9 μm, en bredde på 10,2 fs, en pulsbredde på mindre enn to sykluser, en pulsenergi på 1,3 mJ og en toppeffekt på 80 GW ved bruk av hulkjernefiberkompresjon. Gjennomsnittseffekten til denne lyskilden er 132 W, som er det høyeste effektnivået til de mindre sykluspulsene som arbeider i det kortbølgelengde infrarøde området, og denne høyenergi- og høyeffektsdrevne lyskilde vil helt sikkert kraftig Denne høyenergi, høyeffekts drivende lyskilden vil kraftig fremme utviklingen av laserteknologi i det midt-infrarøde båndet.
