Ánh sáng nhìn thấy được dưới 20 femtogiâynguồn laser xung có thể điều chỉnh
Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Anh đã công bố một nghiên cứu đột phá, thông báo rằng họ đã phát triển thành công một thiết bị điều chỉnh ánh sáng khả kiến ở mức megawatt với thời gian dưới 20 femto giây.nguồn laser xungNguồn laser xung này, cực nhanhlaser sợi quangHệ thống này có khả năng tạo ra các xung có bước sóng điều chỉnh được, thời lượng cực ngắn, năng lượng cao tới 39 nanojoule và công suất đỉnh vượt quá 2 megawatt, mở ra những triển vọng ứng dụng hoàn toàn mới cho các lĩnh vực như quang phổ siêu nhanh, hình ảnh sinh học và xử lý công nghiệp.
Điểm nổi bật cốt lõi của công nghệ này nằm ở sự kết hợp của hai phương pháp tiên tiến: “Khuếch đại phi tuyến được quản lý độ lợi (GMNA)” và “Phát xạ sóng phân tán cộng hưởng (RDW)”. Trước đây, để thu được các xung siêu ngắn có thể điều chỉnh hiệu suất cao như vậy, thường cần đến các laser titan-sapphire đắt tiền và phức tạp hoặc các bộ khuếch đại tham số quang học. Những thiết bị này không chỉ tốn kém, cồng kềnh và khó bảo trì mà còn bị hạn chế bởi tốc độ lặp lại thấp và phạm vi điều chỉnh hẹp. Giải pháp hoàn toàn bằng sợi quang được phát triển lần này không chỉ đơn giản hóa đáng kể kiến trúc hệ thống mà còn giảm đáng kể chi phí và độ phức tạp. Nó cho phép tạo ra trực tiếp các xung công suất cao dưới 20 femto giây, có thể điều chỉnh đến 400 đến 700 nanomet và hơn thế nữa ở tần số lặp lại cao 4,8 MHz. Nhóm nghiên cứu đã đạt được bước đột phá này thông qua một kiến trúc hệ thống được thiết kế chính xác. Đầu tiên, họ đã sử dụng bộ dao động sợi quang ytterbium khóa chế độ bảo toàn phân cực hoàn toàn dựa trên gương vòng khuếch đại phi tuyến (NALM) làm nguồn tín hiệu ban đầu. Thiết kế này không chỉ đảm bảo tính ổn định lâu dài của hệ thống mà còn tránh được vấn đề suy giảm chất lượng của các bộ hấp thụ bão hòa vật lý. Sau khi khuếch đại sơ bộ và nén xung, các xung mồi được đưa vào giai đoạn GMNA. GMNA sử dụng điều chế pha tự thân và phân bố độ lợi bất đối xứng theo chiều dọc trong sợi quang để đạt được sự mở rộng phổ và tạo ra các xung cực ngắn với độ lệch tần số tuyến tính gần như hoàn hảo, cuối cùng được nén xuống dưới 40 femtogiây thông qua các cặp cách tử. Trong giai đoạn tạo RDW, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các sợi quang lõi rỗng chống cộng hưởng chín bộ cộng hưởng tự thiết kế và chế tạo. Loại sợi quang này có tổn hao cực thấp trong dải xung bơm và vùng ánh sáng nhìn thấy, cho phép chuyển đổi năng lượng hiệu quả từ xung bơm sang sóng phân tán và tránh được sự nhiễu do dải cộng hưởng tổn hao cao gây ra. Trong điều kiện tối ưu, năng lượng xung sóng phân tán do hệ thống tạo ra có thể đạt tới 39 nanojoule, độ rộng xung ngắn nhất có thể đạt 13 femtogiây, công suất đỉnh có thể lên tới 2,2 megawatt và hiệu suất chuyển đổi năng lượng có thể lên tới 13%. Điều thú vị hơn nữa là bằng cách điều chỉnh áp suất khí và các thông số sợi quang, hệ thống có thể dễ dàng mở rộng sang dải tia cực tím và hồng ngoại, đạt được khả năng điều chỉnh băng thông rộng từ tia cực tím sâu đến hồng ngoại.
Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực quang học cơ bản mà còn mở ra những triển vọng mới cho các lĩnh vực công nghiệp và ứng dụng. Ví dụ, trong các lĩnh vực như chụp ảnh hiển vi đa photon, quang phổ phân giải thời gian siêu nhanh, xử lý vật liệu, y học chính xác và nghiên cứu quang học phi tuyến siêu nhanh, loại nguồn sáng siêu nhanh mới nhỏ gọn, hiệu quả và chi phí thấp này sẽ cung cấp cho người dùng những công cụ và sự linh hoạt chưa từng có. Đặc biệt trong các trường hợp yêu cầu tốc độ lặp lại cao, công suất đỉnh và xung cực ngắn, công nghệ này chắc chắn cạnh tranh hơn và có tiềm năng phát triển lớn hơn so với các hệ thống khuếch đại tham số quang học hoặc titan-sapphire truyền thống.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục tối ưu hóa hệ thống, chẳng hạn như tích hợp kiến trúc hiện tại chứa nhiều thành phần quang học không gian tự do vào sợi quang, hoặc thậm chí sử dụng một bộ dao động Mamyshev duy nhất để thay thế sự kết hợp giữa bộ dao động và bộ khuếch đại hiện tại, nhằm đạt được mục tiêu thu nhỏ và tích hợp hệ thống. Ngoài ra, bằng cách thích ứng với các loại sợi quang chống cộng hưởng khác nhau, đưa vào các khí hoạt tính Raman và các mô-đun nhân đôi tần số, hệ thống này dự kiến sẽ được mở rộng sang dải tần rộng hơn, cung cấp các giải pháp laser siêu nhanh, băng thông rộng, hoàn toàn bằng sợi quang cho nhiều lĩnh vực như tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại.
Hình 1. Sơ đồ điều chỉnh laser xung.
Thời gian đăng bài: 28 tháng 5 năm 2025