Ikke-lineær strålerensning i spatiotemporally mode-locked lasere

I de sidste par årtier, kun tidsmæssige tilstande er blevet overvejet for tilstandslåste fiberlasere, der anvender single-mode fibre. Mode-locked single-mode fiberlasere giver fordele på grund af deres højforstærkede doping, iboende enkelt-rumlig tilstand, og kompakte opsætninger. Imidlertid, med hensyn til effektniveauer, tilstandslåste fiberlasere lider af høj ikke-linearitet, som introduceres af den lille kernestørrelse af single-mode fibrene. Forskere fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz (EPFL) udviklede for nylig en ny tilgang til at generere højenergi, ultrakorte pulser med single-mode strålekvalitet:ulineær strålerensning i et multimode laserhulrum.

Spatiotemporal mode-låsning

Den traditionelle tilgang til at overvinde effektniveauproblemet er først at generere ultrakorte impulser med lav effekt (såkaldte laseroscillatorer), efterfulgt af en kaskade af forstærkere for at øge effektniveauerne. Men ekstern forstærkning øger omkostningerne og kompleksiteten.

For nylig, multimode fibre, især graded-index multimode fibre, har tiltrukket sig opmærksomhed på grund af deres lave modale spredning og periodiske selvfokusering af lyset indeni. Rumlig strålerensning, bølgelængdekonvertering, og spatiotemporal mode-locking er blevet demonstreret med graded-index multimode fibre.

Spatiotemporal mode-locking er en nyere tilgang til at generere ultrakorte pulser. Det skaber en balance mellem rumlige og tidsmæssige effekter i et multimode laserhulrum, som understøtter flere veje til at lede lys. Fiberens store multimode kernediameter mindsker hulrummets ulinearitet og gør det muligt for systemet at nå høje pulsenergier uden ekstern forstærkning. Imidlertid, på grund af dens multimode natur, højeffekt spatiotemporally mode-locked lasere lider af en udgangsstråle af lav kvalitet.

Single-mode strålekvalitet via ikke-lineær strålerensning

EPFL-forskere demonstrerede ikke-lineær strålerensning i et multimode laserhulrum - en første demonstration nogensinde - som muliggør generering af højenergi, ultrakorte pulser med single-mode strålekvalitet. Deres rapport, offentliggjort i den peer-reviewede, åben adgang journal Avanceret fotonik , viser, at konstruerede intrakavitets temporale pulsegenskaber muliggør en rute til at generere en højkvalitetsstråle, når tilstandslåsning er opnået.

Deres design tillader generering af sub-100 femtosekunders pulser med høj pulsenergi (> 20 nJ) og strålekvalitet med M2-værdi (mindre end 1,13 uden ekstern forstærkning) i en kompakt og billig form. Holdet undersøgte den komplekse hulrumsdynamik ved hjælp af mode-opløste simuleringer og bekræftede ikke-lineær strålerensning numerisk og eksperimentelt.

Hovedforfatter Ugur Tegin bemærker, at hans teams arbejde præsenterer en ny måde at udnytte og kontrollere spatiotemporal ikke-lineær dynamik til ultrakort pulsgenerering. Resultaterne af denne forskning viser, at god strålekvalitet, høj pulsenergi, og under 100 fs pulsvarighed fra en fiberlaser kan konstrueres med kommercielt tilgængelige og standardkomponenter. Den rapporterede metode kan udvides til fibre med en større kernestørrelse for yderligere effektskalering, mens strålekvaliteten af ​​sub-100 fs-impulser bevares.