Мощные сверхбыстрые источники среднего инфракрасного диапазона с длиной волны 2–5 мкм на основе двухволнового источника — Часть 2

1 Введение

Технология DFG использует источник ближнего инфракрасного излучения в качестве импульса накачки и реализует преобразование длины волны посредством нелинейных эффектов для генерации сигнальных импульсов. В нелинейном кристалле импульс накачки и сигнальный импульс преобразуют энергию в средний инфракрасный диапазон посредством процесса трёхволнового смешения, что позволяет достичь сверхбыстрого лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона с высокой выходной мощностью и широким диапазоном перестройки. В 2020 году Чжоу и др. получили двухволновой сверхбыстрый источник света на основе эрбиевого волоконного лазера, расширив спектр сигнального света до 1,3–1,9.мм через высоконелинейное оптическое волокно и создавал средний инфракрасный спектр с длиной волны, регулируемой в диапазоне 2,3-5,4мм в периодически поляризованном кристалле ниобата лития (PPLN). Исследовательская группа также спроектировала и изготовила чирпированный кристалл PPLN, период поляризации которого варьировался в диапазоне от 32 до 23.мм с направлением лазерного излучения и, наконец, вывести широкополосный суперконтинуум, охватывающий 2,5-5,5мм. При обнаружении спектров поглощения газов этилена и оксида углерода система наблюдала четкие линии поглощения. В 2023 году Лю и др. использовали технологию DFG в кристаллах GaSe для генерации света в среднем инфракрасном диапазоне. Диапазон длин волн выходного импульса в среднем инфракрасном диапазоне составлял 7,7–17,3 мкм, а максимальная средняя мощность — 58,3 мВт. Однако средняя выходная мощность источника света, достигнутая в вышеуказанной работе, была менее 1 Вт, что ограничивало области применения источника света. Напротив, Катанезе и др. использовали мощный двухволновой источник света на основе легированного эрбием волоконного лазера для получения сверхбыстрого лазера средней инфракрасной области мощностью 6,7 Вт в DFG, состоящем из двухкаскадных кристаллов PPLN. Эта работа значительно увеличила среднюю выходную мощность, но диапазон перестройки ее источника света был относительно небольшим.

В данной работе технология DFG используется для генерации сверхбыстрых лазеров среднего инфракрасного диапазона с высокой выходной мощностью и широким диапазоном перестройки. Экспериментальная схема показана на рисунке 1. Эрбиевый волоконный лазер с частотой повторения 33,3 МГц разделён на два пути: один путь расширяет спектр до 1,03 мкм через высоконелинейное волокно и использует технологию усиления чирпированных импульсов (CPA) на иттербиевом волокне для увеличения мощности до 30 Вт в качестве света накачки для процесса разностной частоты; другой путь входит в систему CPA на эрбиевом волокне, увеличивает мощность до 4,6 Вт и использует технологию селекции спектра на основе фазовой автомодуляции (SPM-Enabled Spectral Selection, SESS) для генерации спектральных боковых лепестков с регулируемыми длинами волн от 1,3 мкм до 1,9 мкм в качестве сигнального света для процесса разностной частоты. Свет накачки и сигнальный свет подвергаются воздействию разностной частоты в кристалле PPLN, в результате чего получается сверхбыстрый источник света высокой мощности в среднем инфракрасном диапазоне.

Рис.1. Схема DFG на основе мощного двухволнового фемтосекундного источника света