Forscher demonstrieren den ersten Femtosekunden-Faserlaser mit sichtbarer Wellenlänge

6. Juli 2023

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Forscher haben den ersten Faserlaser entwickelt, der Femtosekundenpulse im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzeugen kann. Faserlaser, die ultrakurze, helle Impulse im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugen, könnten für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen sowie für andere Bereiche wie die Materialbearbeitung nützlich sein.

Sichtbare Femtosekundenpulse werden normalerweise mit komplexen und von Natur aus ineffizienten Aufbauten erhalten. Obwohl Faserlaser aufgrund ihrer Robustheit/Zuverlässigkeit, ihres geringen Platzbedarfs, ihrer Effizienz, ihrer geringeren Kosten und ihrer hohen Helligkeit eine vielversprechende Alternative darstellen, war es bisher nicht möglich, sichtbare Impulse mit einer Dauer im Femtosekundenbereich (10–15 s) zu erzeugen ) Reichweite direkt mit solchen Lasern.

„Unsere Demonstration eines Femtosekunden-Faserlasers, der im sichtbaren Spektrum arbeitet, ebnet den Weg für eine neue Klasse zuverlässiger, effizienter und kompakter ultraschneller Laser“, sagte Forschungsteamleiter Réal Vallée von der Université Laval in Kanada.

In Optics Letters beschreiben die Forscher ihren neuen Laser, der auf einer Lanthanid-dotierten Fluoridfaser basiert. Der Laser emittiert rotes Licht bei 635 nm und erreicht komprimierte Impulse mit einer Dauer von 168 fs, einer Spitzenleistung von 0,73 kW und einer Wiederholungsrate von 137 MHz. Die Verwendung einer handelsüblichen blauen Laserdiode als optische Energiequelle oder Pumpquelle trug dazu bei, das Gesamtdesign robust, kompakt und kosteneffizient zu gestalten.

„Vorausgesetzt, dass in naher Zukunft höhere Energien und Leistungen erreicht werden können, könnten viele Anwendungen von diesem Lasertyp profitieren“, sagte Marie-Pier Lord, eine an dem Projekt beteiligte Doktorandin. „Mögliche Anwendungen umfassen die hochpräzise, ​​hochwertige Ablation von biologischem Gewebe und die Zwei-Photonen-Anregungsmikroskopie. Femtosekundenlaserpulse ermöglichen auch die Kaltablation während der Materialbearbeitung, ein Prozess, der viel sauberere Schnitte erzeugen kann [als längere Pulse], weil er nicht Es entstehen keine thermischen Effekte.“

Bei einem Faserlaser fungiert eine mit Seltenerdelementen dotierte optische Faser als Lasermedium. Obwohl Faserlaser zu den einfachsten, robustesten und zuverlässigsten Lasersystemen mit hoher Helligkeit gehören, beschränkt sich die Verwendung von Quarzfasern tendenziell auf den Spektralbereich im nahen Infrarot. Vallées Gruppe hat daran gearbeitet, den Spektralbereich dieser Laserquellen zu erweitern, indem sie Fasern aus Fluorid anstelle von Siliziumdioxid verwendet.

„Früher konzentrierten wir uns auf die Entwicklung von Faserlasern im mittleren Infrarotbereich, haben aber kürzlich Interesse an sichtbaren Faserlasern geweckt“, sagte Lord. „Obwohl der Mangel an kompakten und effizienten Pumpquellen für solche Laser ihre Entwicklung lange Zeit behinderte, hat das jüngste Aufkommen halbleiterbasierter Laserquellen, die im blauen Spektrum arbeiten, eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung effizienter sichtbarer Faserlaser bereitgestellt.“

Nachdem die Forscher Faserlaser demonstriert hatten, die kontinuierlich sichtbare Wellenlängen emittieren, wollten sie den Fortschritt auf ultraschnelle gepulste Quellen ausweiten. Dank der Verfeinerung des Herstellungsprozesses von Fluoridfasern ist es nun möglich, Lanthanid-dotierte Fasern mit Eigenschaften zu erhalten, die für die Entwicklung effizienter sichtbarer Faserlaser unerlässlich sind.

Der von Vallées Team entwickelte neue gepulste Faserlaser kombiniert eine Lanthanid-dotierte Fluoridfaser mit einem kommerziell erhältlichen blauen Diodenpumplaser. Um eine gepulste Ausgabe zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, mussten die Forscher auch herausfinden, wie sie die Lichtpolarisation in der Faser sorgfältig steuern können.

„Die Entwicklung eines Lasers mit einer neuen Wellenlänge, bei der sich die Materialeigenschaften der optischen Komponenten von denen bisher unterscheiden, kann manchmal schwierig sein“, sagte Co-Autor Michel Olivier.

„Unsere Experimente zeigten jedoch, dass die Leistung unseres Lasers hervorragend mit unseren Simulationen übereinstimmte. Dies bestätigte, dass sich das System gut verhielt und verstanden wurde und dass die wichtigen Parameter des Systems richtig charakterisiert und für gepulste Laser gut angepasst waren.“ , insbesondere die Eigenschaften der von uns verwendeten Glasfaser.“

Als nächstes möchten die Forscher die Technologie verbessern, indem sie den Aufbau vollständig monolithisch machen, was bedeutet, dass die einzelnen optischen Faser-Pigtail-Komponenten alle direkt miteinander verbunden werden. Dies würde die optischen Verluste des Aufbaus reduzieren, die Effizienz verbessern und den Laser zuverlässiger, kompakter und robuster machen. Sie untersuchen außerdem verschiedene Möglichkeiten, die Pulsenergie, Pulsdauer und Durchschnittsleistung des Lasers zu verbessern.

Mehr Informationen: Marie-Pier Lord et al., Sichtbarer Femtosekunden-Faserlaser, Optics Letters (2023). DOI: 10.1364/OL.492671

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