Πρόσφατα, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Lu Huadong από το Ινστιτούτο Οπτοηλεκτρονικής του Πανεπιστημίου Shanxi πρότεινε καινοτομικά μια μέθοδο για την επίτευξη μεγάλης σταθερότητας στενής φάσματος κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία με την εξόρυξη διεγερμένης εκπομπής και οπτικών παραμετρικών διεργασιών. Με την εισαγωγή της οπτικής παραμετρικής διαδικασίας στην συντονισμένη κοιλότητα του λέιζερ με συκέρτισμα, το ποσοστό της αυθόρμητης ακτινοβολίας στη διαδικασία σχηματισμού παλμών λέιζερ μειώθηκε σημαντικά, περιορίζοντας αποτελεσματικά το πλάτος παλμού του λέιζερ εξόδου και μειώνοντας το χρονισμό του παλμού λέιζερ. Τέλος, ελήφθη μια έξοδος παλμού νανοδευτερόλεπτου 830 nm με ισχύ εξόδου 7,75 W και πλάτος φάσματος 400,93 MHz και η τυπική απόκλιση του jitter χρονισμού παλμών ήταν μόνο 2,285 ns. Αυτή η μελέτη παρέχει μια νέα ιδέα για την πραγματοποίηση ενός συμπαγούς, υψηλής ισχύος, υψηλής σταθερότητας στενής φάσματος λέιζερ χωρίς έλεγχο κλειδώματος.
Οι πηγές φωτός κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία (700 ~ 1000 nm) χρησιμοποιήθηκαν ευρέως στην επεξεργασία υλικών, τη βιοϊατρική, την περιβαλλοντική παρακολούθηση και το LIDAR λόγω της εξαιρετικής διείσδυσής τους και των χαμηλών χαρακτηριστικών σκέδασης. Μέσω της μη γραμμικής τεχνολογίας μετατροπής συχνότητας, το μήκος κύματος παραγωγής μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω σε Terahertz, μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία, ορατό φως και υπεριώδεις ζώνες, ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες διαφοροποιημένων εφαρμογών όπως η ανίχνευση ασφαλείας, η επικοινωνία με λέιζερ, η προβολή λέιζερ και η λιθογραφία.
Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται συνήθως λέιζερ ζαφείρι τιτανίου που έχουν μετατραπεί σε κέρδη για την επίτευξη υψηλής ισχύος, στενού φάσματος νανοδευτερόλεπτου παλμού πλησίον της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Ωστόσο, οι κρύσταλλοι ζαφείρι τιτανίου θα παράγουν θερμικά αποτελέσματα όταν αντλούνται σε υψηλή ισχύ, γεγονός που περιορίζει σοβαρά την ισχύ εξόδου, την αποτελεσματικότητα της μετατροπής και την ποιότητα της δέσμης του λέιζερ. Όταν το λέιζερ Sapphire του τιτανίου λειτουργεί σε χαμηλή ισχύ, ο χρονισμός των παλμών έχει σοβαρό jitter λόγω του χαμηλού ρυθμού άντλησης. Επιπλέον, η χρήση λέιζερ 532 nm για την αντλία οπτικών παραμετρικών ταλαντωτών είναι επίσης μια αποτελεσματική μέθοδος για τη δημιουργία εξόδου λέιζερ κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Αν και αυτή η μέθοδος δεν περιορίζεται από θερμικές επιδράσεις, λόγω του εγγενούς μεγάλου εύρους ζώνης αποδοχής της διαδικασίας αντιστοίχισης φάσης, το φασματικό πλάτος του φωτός σήματος εξόδου είναι μεγάλο όταν αντλείται σε υψηλή ισχύ. Προκειμένου να περιορίσει αποτελεσματικά το φασματικό του πλάτος, πρέπει να εγχυθεί και να κλειδωθεί με τη βοήθεια υψηλής ποιότητας λέιζερ στενού φάσματος, τα οποία όχι μόνο αυξάνουν το κόστος της πηγής φωτός, αλλά και επηρεάζουν τη σταθερότητα του συστήματος.
Προκειμένου να ξεπεραστούν οι τρέχουσες τεχνικές δυσκολίες, η ερευνητική ομάδα πρότεινε μια μέθοδο για την επίτευξη μεγάλης σταθερότητας στενής φάσματος κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία με την ανάμειξη διεγερμένων εκπομπών και οπτικών παραμετρικών διεργασιών. Πρώτον, η δυναμική διαδικασία της εξόδου του παλμού λέιζερ πριν και μετά την εισαγωγή της οπτικής παραμετρικής διαδικασίας στο λέιζερ Ti-Switched Ti: Sapphire αναλύθηκε θεωρητικά. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, στο λέιζερ με το κέρδος, όταν αντλείται το μέσο κέρδους, τα ιόντα που έχουν προσβληθεί γρήγορα αναπτύσσονται στο ανώτερο επίπεδο ενέργειας του λέιζερ και στη συνέχεια η έξοδος του παλμού λέιζερ σχηματίζεται υπό τη δράση αυθόρμητης εκπομπής και διεγερμένης εκπομπής. Και όταν η οπτική παραμετρική διαδικασία εισάγεται στην κοιλότητα συντονισμού, η μεγαλύτερη μη γραμμική απόδοση μετατροπής της οπτικής παραμετρικής διαδικασίας μπορεί να ενισχύσει τον διεγερμένο ρυθμό εκπομπής στη διαδικασία σχηματισμού παλμού λέιζερ και να μειώσει την αναλογία των αυθόρμητων όρων εκπομπής, έτσι ώστε ο χρόνος δημιουργίας παλμού και το πλάτος παλμού του λέιζερ εξόδου. Επιπλέον, δεδομένου ότι δεν υπάρχει καθυστέρηση μεταξύ του φωτός της αντλίας και του παλμού φωτός σήματος στην οπτική παραμετρική διαδικασία, βελτιώνεται σημαντικά το jitter χρονισμού παλμών του λέιζερ εξόδου.
Η ερευνητική ομάδα σχεδίασε ένα λέιζερ κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία με μικτές διεγερμένες εκπομπές και οπτικές παραμετρικές διεργασίες όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Προκειμένου να ελέγχεται με ευελιξία την καθυστέρηση μεταξύ του λέιζερ Ti: Sapphire και του φωτός σήματος της παραμετρικής διαδικασίας, χρησιμοποιούνται δύο σύνολα παλμών των λέιζερ 532 nm με μια συχνότητα επανάληψης 6 kHz και χρησιμοποιείται μια γεννήτρια καθυστέρησης\/παλμού για να προκαλέσει συγχρονιστικά τις αλληλουχίες παλμών των δύο πηγών αντλίας και τον έλεγχο του χρονοδιαγράμματος. Επιπλέον, προκειμένου να περιοριστεί το πλάτος του φάσματος του λέιζερ Ti: Sapphire, τα Etalons με πάχη 0 5 mm και 10 mm και τέσσερα συνδυασμένα διπλωμένα φίλτρα εισάγονται στην κοιλότητα του συντονισμού. Τέλος, εισάγεται ένας ανακλαστήρας αυτο-ένεσης μετά τον καθρέφτη εξόδου για να διασφαλιστεί ότι η κατεύθυνση διάδοσης του φωτός TI: ζαφείρι ταλαντευόμενη στην κοιλότητα είναι σύμφωνη με εκείνη του φωτός σήματος της οπτικής παραμετρικής διαδικασίας.
Στο πείραμα, ο χρονισμός των παλμών των δύο φώτων της αντλίας ελέγχεται από μια γεννήτρια καθυστέρησης\/παλμού και τα χαρακτηριστικά του πεδίου του χρόνου του λέιζερ εξόδου μετά την εισαγωγή της οπτικής παραμετρικής διαδικασίας βελτιστοποιούνται, όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Το λέιζερ και ταυτόχρονα ενισχύει τον διεγερμένο ρυθμό εκπομπής, έτσι ώστε το πλάτος παλμού του λέιζερ εξόδου να μειώνεται από 66,3 ns σε 18,9 ns και ο χρόνος εγκατάστασης παλμού μειώνεται από 372,9 ns έως 310 ns. Ταυτόχρονα, λόγω του χαρακτηριστικού χωρίς καθυστέρηση μεταξύ του φωτός της αντλίας και του παλμού φωτός σήματος στην οπτική παραμετρική διαδικασία, το jitter χρονισμού παλμών του λέιζερ μειωμένο κέρδος βελτιώνεται σημαντικά και η τυπική απόκλιση μειώνεται από 9,926 ns σε 2,285 ns.
Αφού εισήγαγε την οπτική παραμετρική διαδικασία στο λέιζερ με το κέρδος και τη βελτιστοποίηση του χρονισμού των δύο παλμών φωτός αντλιών, όπως το σχήμα 4 (Α) επιτεύχθηκε. Τα χαρακτηριστικά διαμήκης λειτουργίας μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας μια κοιλότητα FP σάρωσης (SA {8}} b, Thorlabs) και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι θα μπορούσε να διατηρήσει καλή λειτουργία διαχρονικής λειτουργίας στη μέγιστη ισχύ εξόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα 4 (b). Τα χαρακτηριστικά της εγκάρσιας λειτουργίας μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή ποιότητας δέσμης (M2MMSBC207VIS\/M, Thorlabs) και ο συντελεστής M2 Beam Quality ήταν καλύτερος από 1,37 και 1,47 στις κατευθύνσεις x και y, αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο σχήμα 4 (c). Ταυτόχρονα, με τη συγχρονισμένη σάρωση της γωνίας συντονισμού του δισκοειδούς φίλτρου και της θερμοκρασίας του κρυστάλλου LBO, επιτεύχθηκε ευρύ φάσμα συντονισμού μήκους κύματος από 764,90 nm έως 873,43 nm, όπως φαίνεται στο σχήμα 4 (d).
····················································
Η ομάδα δημιούργησε μια μέθοδο για την επίτευξη υψηλής σταθερότητας, υψηλής ενέργειας κοντά στην υπέρυθρη εξουσία λέιζερ με ανάμειξη διεγερμένων εκπομπών και οπτικών παραμετρικών διεργασιών και συνειδητοποίησε ένα λέιζερ εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας με συμπαγή δομή, υψηλή σταθερότητα και στενό φασματικό πλάτος. Με την εισαγωγή της οπτικής παραμετρικής διαδικασίας στον συντονιστή με λέιζερ με το κέρδος, τα χαρακτηριστικά του χρονικού τομέα του λέιζερ εξόδου βελτιώθηκαν σημαντικά. Τέλος, επιτεύχθηκε ένα συμπαγές 830 nm κοντά στο υπέρυθρη ακτινοβολία με μέγιστη ισχύ εξόδου 7,75 W και φασματικό πλάτος 400,93 MHz, με πλάτος παλμού τόσο στενό όσο 18,9 ns και τυπική απόκλιση του jitter παλμών μειώθηκε σε 2,285 ns.
