Wissenschaftler weisen intensives Ultraviolett nach

23. August 2023

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von Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS

Ein ultrabreitbandiger Superkontinuum-Weißlaser mit hoher Helligkeit hat in der Physik, Chemie, Biologie, Materialwissenschaft und anderen Disziplinen der Wissenschaft und Technologie immer mehr Aufmerksamkeit erregt. In den letzten Jahrzehnten wurden viele verschiedene Ansätze zur Erzeugung von Superkontinuum-Weißlasern entwickelt.

Die meisten von ihnen nutzen verschiedene nichtlineare Effekte dritter Ordnung (3.-NL) wie die Selbstphasenmodulation (SPM), die in mikrostrukturierten photonischen Kristallfasern oder homogenen Platten oder mit Edelgas gefüllten Hohlkernfasern auftritt. Die Qualität dieser Superkontinuumsquellen unterliegt jedoch einigen Einschränkungen, wie z. B. einer kleinen Pulsenergie im Nanojoule-Bereich und der Notwendigkeit einer komplizierten Dispersionstechnik.

Ein weiteres leistungsfähigeres Mittel zur Erweiterung des Spektralbereichs von Lasern sind verschiedene nichtlineare Effekte zweiter Ordnung (2.-NL) über den vielversprechenden Weg des Quasi-Phase-Matching-Schemas (QPM). Allerdings weisen diese reinen 2nd-NL-Systeme aufgrund der schmalen Pumpbandbreite, der begrenzten QPM-Arbeitsbandbreite und der verschlechterten Energieumwandlungseffizienz bei Harmonischen höherer Ordnung immer noch eine schlechte Leistung bei der Spektral- und Leistungsskalierung auf.

Ehrlich gesagt ist es zu einer großen Herausforderung geworden, diese schlechten Einschränkungen zu überwinden, die sowohl im 2. NL- als auch im 3. NL-Bereich bestehen, und das Beste aus beiden Welten zu machen, um einen Vollspektrum-Superkontinuumslaser mit spektraler Abdeckung vom UV- bis zum mittleren IR-Bereich herzustellen .

In einem neuen Artikel, der in Light: Science & Applications veröffentlicht wurde, hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Zhi-Yuan Li von der School of Physics and Optoelectronics der South China University of Technology, China, und Kollegen einen intensiven Vier-Oktaven-Effekt demonstriert. Ultraviolett-sichtbar-infrarot (UV-Vis-IR) Vollspektrum-Laserquelle (300 nm bis 5000 nm bei -25 dB vom Peak) mit einer Energie von 0,54 mJ pro Impuls, die aus einer kaskadierten Architektur aus gasgefüllten Hohlräumen stammt -Kernfaser (HCF), einer blanken Lithiumniobat (LN)-Kristallplatte und einem speziell entwickelten gechirpten, periodisch gepolten Lithiumniobat-Kristall (CPPLN), der durch einen Pumpimpuls im mittleren IR-Bereich von 3,9 mm und 3,3 mJ gepumpt wird.

Unter der Pumpe eines 3,3 mJ 3,9 μm Femtosekunden-Pulslasers im mittleren Infrarotbereich kann das HCF-LN-System einen intensiven Laserimpuls im mittleren Infrarotbereich mit einer Oktave Bandbreite erzeugen, der als sekundärer FW-Pumpeingang in das CPPLN dient, während das CPPLN unterstützt hocheffiziente Breitband-HHG-Prozesse zur weiteren deutlichen Erweiterung der spektralen Bandbreite in UV-Vis-NIR. Offensichtlich erfüllt diese kaskadierte Architektur auf kreative Weise die beiden Voraussetzungen für die Erzeugung eines weißen Vollspektrumlasers: Bedingung 1, ein intensiver Femtosekunden-Pumplaser mit einer Oktave, und Bedingung 2, ein nichtlinearer Kristall mit extrem großer Frequenz-Upconversion-Bandbreite. Darüber hinaus beinhaltet das System eine beträchtliche synergetische Wirkung von 2.-NL- und 3.-NL-Effekten.

Ein solcher von ihnen entwickelter Synergiemechanismus bringt eine überlegene Leistung mit sich, um eine überlegene Erweiterung des gesamten UV-Vis-IR-Superkontinuumsspektrums aufzubauen und die spektralen Lücken zwischen verschiedenen HHG zu füllen, die weit über das hinausgeht, was durch eine einzelne Aktion entweder des 2.-NL oder des 3. NL erreicht wird -NL-Effekte, die in früheren Arbeiten übernommen wurden.

Infolgedessen hat ein solches kaskadiertes optisches HCF-LN-CPPLN-Modul den Zugang zu einem bisher unzugänglichen Niveau einer intensiven Vollspektrum-Laserleistung ermöglicht, nicht nur mit einer extrem großen Bandbreite (über 4 Oktaven), sondern auch mit einem sehr flachen Spektralbereich Profil (von 300 bis 5000 nm mit einer Ebenheit besser als 25 dB) und große Pulsenergie (0,54 mJ pro Puls).

„Wir glauben, dass unser Plan, eine intensive, vier Oktaven umfassende UV-Vis-IR-Vollspektrum-Femtosekundenlaserquelle zu schaffen, indem wir die synergetische Wirkung von 2nd-NL HHG- und 3rd-NL SPM-Effekten nutzen, einen großen Schritt für die Konstruktion von darstellt Superkontinuum-Weißlaserquelle mit größerer Bandbreite, größerer Energie, höherer spektraler Helligkeit und flacherem Spektralprofil. Ein solch intensiver Vollspektrum-Femtosekundenlaser würde ein revolutionäres Werkzeug für die optische Spektroskopie darstellen und potenzielle Anwendungen in der Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaft finden , Informationstechnologie, industrielle Verarbeitung und Umweltüberwachung“, sagen die Wissenschaftler.

Mehr Informationen: Lihong Hong et al., Intensiver ultravioletter, sichtbarer und infraroter Vollspektrumlaser, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01256-6

Zeitschrifteninformationen:Licht: Wissenschaft und Anwendungen

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