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 in Nichtoxidkristallen. Ein mit Thulium dotiertes Faserlasersystem kann hunderte Femtosekundenpulse mit einer zentralen Wellenlänge nahe 2 μm erzeugen. Die Limpert-Gruppe in Jena, Deutschland, synthetisierte im Jahr 2022 kohärent die Ausgänge von vier Thulium-dotierten Faserverstärkern [1] und erhielt schließlich 85-fs-Pulse mit einer Pulsenergie von 1,65 mJ und einer Wiederholungsfrequenz von 100 kHz, die das durchbrechen Einschränkungen einer einzelnen optischen Faser hinsichtlich der Einzelimpulsenergie und der Durchschnittsleistung. Das Gerät ist in Abb. 1 dargestellt.
Abbildung 1 Schematische Darstellung des kohärenten Synthesegeräts mit vier Thulium-dotierten Fasern.
Um die Pulsbreite weiter zu verkürzen, wird Limperts Gruppe im Jahr 2023 das oben genannte Gerät als Front-End verwenden und Hohlkern-Lichtwellenleiter zur Komprimierung verwenden. Der Aufbau der Kompressionsvorrichtung ist in Abb. 2 dargestellt und umfasst zwei Vakuumkammern für den Ein- bzw. Ausgang sowie eine Hochspannungskammer für die nichtlineare Verbreiterung, die mit Argongas gefüllt ist. Um die Wasserdampfaufnahme zu reduzieren, wird der Luftdruck in beiden Vakuumkammern aufrechterhalten<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%.
Abbildung 2 Schematische Darstellung der Hohlkernfaser-Kompressionsvorrichtung
Bei allmählicher Erhöhung des Gasdrucks im Hohlraum sind die entsprechenden Ausgangsergebnisse in Abbildung 3 dargestellt. Wenn der Gasdruck weniger als 3 bar beträgt, beträgt die Ausgangsleistung etwa 139 W und die Strahlqualität bleibt gut (Abb. 3a). Wenn der Luftdruck höher als 3 bar ist, beginnt die Ausgangsleistung zu sinken und die Strahlqualität verschlechtert sich erheblich, und der Punkt ist bei 4,25 bar vom Gaußschen Strahl abgewichen, wie in Abb. 3b dargestellt. Abbildung 3c analysiert die spektralen Breiten der Ausgänge bei verschiedenen Luftdrücken. Sobald der Luftdruck 3 bar überschreitet, verbreitern sich die Spektren mit zunehmendem Luftdruck nicht mehr wesentlich und die entsprechenden Transformationsgrenzimpulse bleiben im Wesentlichen unverändert. Die Autoren berücksichtigten die oben genannten Faktoren und wählten schließlich einen Luftdruck von 3 bar für die nachfolgenden Experimente.
Abb. 3 Ausgabeergebnisse verschiedener Luftdrücke in einer Hohlkernfaser
Die bei 3 bar Luftdruck gemessenen Spektren und Autokorrelationskurven sind in Abb. 4 dargestellt, wobei die Spektren 1,2 μm-2,4 μm abdecken. Nach Verwendung eines Paares gechirpter Spiegel zur Kompensation der Dispersion wird die Pulsbreite auf 10,2 fs reduziert, die durchschnittliche Leistung beträgt 132 W und die Hauptspitzenenergie der Pulse macht 66 Prozent der aus Energie, mit einer Spitzenleistung von bis zu 80 GW. Abb. 5 zeigt die Ergebnisse des Stabilitätstests und das relative Intensitätsrauschen des Front-End-Ausgangs beträgt 0,75 Prozent. das im Frequenzbereich von 20 Hz bis 50 kHz konzentriert ist. Nach der nichtlinearen Pulskomprimierung liegt der Hauptgeräuschbeitrag im Niederfrequenzbereich von nur 2 kHz, der von den mechanischen Vibrationen der Wasserkühlung und der Vakuumpumpe herrührt, was beweist, dass während des Komprimierungsprozesses keine zusätzlichen Geräusche entstehen die Stabilität der Lichtquelle.
Abb. 4 Spektral- und Autokorrelationsmessungen bei 3 bar Luftdruck
Abb. 5 Kurzzeitstabilitätstest
In dieser Arbeit wird ein hochenergetischer Femtosekundenpuls mit einer Mittenwellenlänge von 1,9 μm, einer Breite von 10,2 fs, einer Pulsbreite von weniger als zwei Zyklen, einer Pulsenergie von 1,3 mJ und einer Spitzenleistung von 80 GW erhalten unter Verwendung einer Hohlkern-Faserkompression. Die durchschnittliche Leistung dieser Lichtquelle beträgt 132 W, was die höchste Leistungsstufe der im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitenden Impulse mit weniger Zyklen ist und diese mit hoher Energie und hoher Leistung angetrieben werden Lichtquelle wird sicherlich energisch Diese hochenergetische, leistungsstarke Antriebslichtquelle wird die Entwicklung der Lasertechnologie im mittleren Infrarotband energisch vorantreiben.
