نور مرئی زیر ۲۰ فمتوثانیهمنبع لیزر پالسی قابل تنظیم
اخیراً، یک تیم تحقیقاتی از بریتانیا یک مطالعه نوآورانه منتشر کرد و اعلام کرد که با موفقیت یک نور مرئی قابل تنظیم در سطح مگاوات زیر 20 فمتوثانیه را توسعه داده‌اند.منبع لیزر پالسیاین منبع لیزر پالسی، فوق سریعلیزر فیبراین سیستم قادر به تولید پالس‌هایی با طول موج‌های قابل تنظیم، مدت زمان بسیار کوتاه، انرژی‌هایی تا ۳۹ نانوژول و توان اوج بیش از ۲ مگاوات است و چشم‌اندازهای کاربردی کاملاً جدیدی را برای زمینه‌هایی مانند طیف‌سنجی فوق سریع، تصویربرداری بیولوژیکی و پردازش صنعتی ایجاد می‌کند.
نکته برجسته اصلی این فناوری در ترکیب دو روش پیشرفته نهفته است: «تقویت غیرخطی با بهره مدیریت‌شده (GMNA)» و «انتشار موج پراکنده تشدیدی (RDW). در گذشته، برای دستیابی به چنین پالس‌های فوق کوتاه قابل تنظیم با عملکرد بالا، معمولاً به لیزرهای تیتانیوم-یاقوت یا تقویت‌کننده‌های پارامتری نوری گران‌قیمت و پیچیده نیاز بود. این دستگاه‌ها نه تنها پرهزینه، حجیم و نگهداری آنها دشوار بود، بلکه با نرخ تکرار پایین و محدوده تنظیم نیز محدود می‌شدند. راهکار تمام فیبری که این بار توسعه داده شده است، نه تنها معماری سیستم را به طور قابل توجهی ساده می‌کند، بلکه هزینه‌ها و پیچیدگی را نیز تا حد زیادی کاهش می‌دهد. این راهکار امکان تولید مستقیم پالس‌های پرقدرت زیر 20 فمتوثانیه، قابل تنظیم به 400 تا 700 نانومتر و فراتر از آن را در فرکانس تکرار بالای 4.8 مگاهرتز فراهم می‌کند. تیم تحقیقاتی این موفقیت را از طریق یک معماری سیستم با طراحی دقیق به دست آورد. در ابتدا، آنها از یک نوسان‌ساز فیبر ایتربیم قفل‌شده با مد کاملاً حفظ‌کننده قطبش مبتنی بر آینه حلقه‌ای تقویت غیرخطی (NALM) به عنوان منبع اولیه استفاده کردند. این طراحی نه تنها پایداری طولانی‌مدت سیستم را تضمین می‌کند، بلکه از مشکل تخریب جاذب‌های اشباع فیزیکی نیز جلوگیری می‌کند. پس از پیش‌تقویت و فشرده‌سازی پالس، پالس‌های اولیه به مرحله GMNA وارد می‌شوند. GMNA از مدولاسیون فاز خود و توزیع بهره نامتقارن طولی در فیبرهای نوری برای دستیابی به پهن‌شدگی طیفی و تولید پالس‌های فوق کوتاه با جیرپ خطی تقریباً کامل استفاده می‌کند که در نهایت از طریق جفت‌های توری به زیر 40 فمتوثانیه فشرده می‌شوند. در طول مرحله تولید RDW، محققان از فیبرهای توخالی ضد رزونانس نه رزوناتوری که خود طراحی و ساخته‌اند، استفاده کردند. این نوع فیبر نوری در باند پالس پمپ و ناحیه نور مرئی، اتلاف بسیار کمی دارد و امکان تبدیل مؤثر انرژی از پمپ به موج پراکنده و جلوگیری از تداخل ناشی از باند رزونانس با اتلاف بالا را فراهم می‌کند. تحت شرایط بهینه، انرژی پالس موج پراکندگی خروجی توسط سیستم می‌تواند به ۳۹ نانوژول، کوتاه‌ترین پهنای پالس می‌تواند به ۱۳ فمتوثانیه، حداکثر توان می‌تواند به ۲.۲ مگاوات و راندمان تبدیل انرژی می‌تواند به ۱۳٪ برسد. حتی هیجان‌انگیزتر این است که با تنظیم فشار گاز و پارامترهای فیبر، سیستم را می‌توان به راحتی به باندهای فرابنفش و فروسرخ گسترش داد و به تنظیم پهنای باند از فرابنفش عمیق تا فروسرخ دست یافت.
این تحقیق نه تنها اهمیت قابل توجهی در حوزه بنیادی فوتونیک دارد، بلکه موقعیت جدیدی را برای حوزه‌های صنعتی و کاربردی نیز ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، در زمینه‌هایی مانند تصویربرداری میکروسکوپی چند فوتونی، طیف‌سنجی فوق سریع با تفکیک زمانی، پردازش مواد، پزشکی دقیق و تحقیقات اپتیک غیرخطی فوق سریع، این نوع جدید، جمع و جور، کارآمد و کم‌هزینه از منبع نور فوق سریع، ابزارها و انعطاف‌پذیری بی‌سابقه‌ای را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. به ویژه در سناریوهایی که به نرخ تکرار بالا، توان اوج و پالس‌های فوق کوتاه نیاز دارند، این فناوری بدون شک رقابتی‌تر است و پتانسیل ارتقای بیشتری در مقایسه با سیستم‌های تقویت پارامتری تیتانیوم-یاقوت یا نوری سنتی دارد.
در آینده، تیم تحقیقاتی قصد دارد سیستم را بیشتر بهینه کند، مانند ادغام معماری فعلی که شامل چندین جزء نوری فضای آزاد در فیبرهای نوری است، یا حتی استفاده از یک نوسانگر Mamyshev واحد برای جایگزینی ترکیب نوسانگر و تقویت‌کننده فعلی، تا به کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی سیستم دست یابد. علاوه بر این، با تطبیق با انواع مختلف فیبرهای ضد رزونانس، معرفی گازهای فعال رامان و ماژول‌های دو برابر کننده فرکانس، انتظار می‌رود این سیستم به باند وسیع‌تری گسترش یابد و راه‌حل‌های لیزری تمام فیبر، باند وسیع و فوق سریع را برای زمینه‌های مختلفی مانند فرابنفش، نور مرئی و مادون قرمز ارائه دهد.
شکل 1. نمودار شماتیک تنظیم لیزر پالسی
زمان ارسال: ۲۸ مه ۲۰۲۵