Ánh sáng nhìn thấy dưới 20 femto giâynguồn laser xung có thể điều chỉnh
Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Anh đã công bố một nghiên cứu mang tính đột phá, thông báo rằng họ đã phát triển thành công một loại ánh sáng khả kiến có thể điều chỉnh được ở cấp độ megawatt dưới 20 femto giây.nguồn laser xung. Nguồn laser xung này, cực nhanhlaser sợi quanghệ thống có khả năng tạo ra các xung có bước sóng có thể điều chỉnh, thời lượng cực ngắn, năng lượng lên tới 39 nanojoule và công suất cực đại vượt quá 2 megawatt, mở ra 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 tính được quản lý độ lợi (GMNA)” và “Phát xạ sóng phân tán cộng hưởng (RDW)”. Trước đây, để có được các xung cực ngắn có thể điều chỉnh hiệu suất cao như vậy, người ta thường cần đến các laser titan-sapphire hoặc bộ khuếch đại tham số quang học đắt tiền và phức tạp. Các thiết bị này không chỉ tốn kém, cồng kềnh và khó bảo trì mà còn bị hạn chế bởi tốc độ lặp lại và phạm vi điều chỉnh thấp. Giải pháp toàn 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 trực tiếp các xung dưới 20 femto giây, có thể điều chỉnh đến 400 đến 700 nanomet và hơn thế nữa ở tần số lặp lại cao là 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 sử dụng một bộ dao động sợi quang ytterbium khóa chế độ bảo toàn phân cực hoàn toàn dựa trên gương vòng khuếch đại phi tuyến tính (NALM) làm nguồn hạt giống. Thiết kế này không chỉ đảm bảo tính ổn định lâu dài của hệ thống mà còn tránh được vấn đề suy thoái của các chất hấp thụ bão hòa vật lý. Sau khi tiền khuếch đại và nén xung, các xung hạt giống được đưa vào giai đoạn GMNA. GMNA sử dụng điều chế pha tự thân và phân phối độ lợi không đối xứng theo chiều dọc trong sợi quang để đạt được độ mở rộng phổ và tạo ra các xung cực ngắn với độ nhiễu tuyến tính gần như hoàn hảo, cuối cùng được nén xuống dưới 40 femto giây thông qua các cặp mạng. Trong giai đoạn tạo RDW, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các sợi lõi rỗng chống cộng hưởng chín bộ cộng hưởng do chính họ thiết kế và sản xuất. Loại sợi quang này có độ suy hao cực thấp trong dải xung bơm và vùng ánh sáng khả kiến, cho phép năng lượng được chuyển đổi hiệu quả từ bơm sang sóng phân tán và tránh được nhiễu do dải cộng hưởng có độ suy 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 tới 13 femto giây, công suất cực đại có thể lên tới 2,2 megawatt và hiệu suất chuyển đổi năng lượng có thể lên tới 13%. Thậm chí thú vị hơn nữa là bằng cách điều chỉnh áp suất khí và các thông số sợi, hệ thống có thể dễ dàng mở rộng sang các dải cực tím và hồng ngoại, đạt được điều chỉnh băng thông rộng từ cực tím sâu đến hồng ngoại.
Nghiên cứu này không chỉ có tầm quan trọng đáng kể trong lĩnh vực cơ bản của quang tử học mà còn mở ra một tình huống mới cho các lĩnh vực công nghiệp và ứng dụng. Ví dụ, trong các lĩnh vực như hình ảnh hiển vi đa photon, quang phổ phân giải thời gian cực nhanh, xử lý vật liệu, y học chính xác và nghiên cứu quang học phi tuyến tính cực nhanh, loại nguồn sáng cực nhanh mới nhỏ gọn, hiệu quả và chi phí thấp này sẽ cung cấp cho người dùng các công cụ và tính linh hoạt chưa từng có. Đặc biệt trong các tình huống đòi hỏi tốc độ lặp lại cao, công suất cực đại và xung cực ngắn, công nghệ này chắc chắn có tính cạnh tranh cao hơn và có tiềm năng thúc đẩy lớn hơn so với các hệ thống khuếch đại tham số quang học hoặc titan-sapphire truyền thống.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch tối ưu hóa hệ thống hơn nữa, chẳng hạn như tích hợp kiến trúc hiện tại chứa nhiều thành phần quang không gian tự do vào sợi quang hoặc thậm chí sử dụng một bộ dao động Mamyshev duy nhất để thay thế bộ dao động dòng điện và bộ khuếch đại kết hợp, nhằm đạt được mục tiêu thu nhỏ và tích hợp hệ thống. Ngoài ra, bằng cách thích ứng với các loại sợi chống cộng hưởng khác nhau, đưa vào các khí hoạt động Raman và các mô-đun nhân đôi tần số, hệ thống này dự kiến sẽ được mở rộng thành băng tần rộng hơn, cung cấp các giải pháp laser toàn sợi, băng thông rộng, siêu nhanh cho nhiều lĩnh vực như tia cực tím, ánh sáng khả kiến và hồng ngoại.
Hình 1. Sơ đồ điều chỉnh của laser xung
Thời gian đăng: 28-05-2025