Laser femtosecond berfungsi sebagai "pisau bedah optik" yang sangat presisi, memainkan peran yang tak tergantikan dalam pemesinan presisi, bedah medis, deteksi spektral, dan penelitian ilmiah. Khususnya pada pita panjang gelombang 2 μm, laser ini mencakup berbagai tingkat energi getaran molekul dan tumpang tindih dengan puncak penyerapan berbagai senyawa amino dan jaringan biologis. Oleh karena itu, tuntutan penerapannya sangat mendesak di bidang-bidang seperti pemrosesan bahan non-logam dan teknik biomedis.
Namun, memperkuat laser seed femtosecond yang lemah menjadi daya tinggi sangatlah sulit. Tantangan utamanya terletak pada interaksi nonlinier yang intens antara intensitas optik pulsa femtosecond yang sangat tinggi dan media penguat selama amplifikasi. Selain itu, efek termal yang parah pada tingkat pengulangan yang tinggi dapat menurunkan kualitas sinar, menyebabkan distorsi pulsa, dan bahkan merusak komponen optik. Solusi yang ada saat ini terutama menggunakan teknologi chirped pulse amplification (CPA), yang pertama-tama melibatkan perluasan denyut untuk sementara (mengurangi daya puncak), memperkuat energi laser ke tingkat tertentu, dan kemudian mengompresinya kembali. Namun, sistem ini rumit, mahal, dan besar. Oleh karena itu, kemampuan untuk menghilangkan langkah pelebaran dan kompresi serta mencapai "amplifikasi langsung" pulsa femtodetik 2 μm dengan tetap mempertahankan struktur yang sederhana, kompak, dan kemampuan penanganan daya yang kuat telah menjadi hotspot penelitian di bidang teknologi amplifikasi.
Penguat Laser Femtosecond Berdasarkan SCF "Diskrit".
Recently, researchers including Wang Jianlei and Zhao Yongguang from the State Key Laboratory of Crystal Materials at Shandong University proposed an innovative B-integral (nonlinear phase shift) management strategy. By employing a discrete single-crystal fiber (SCF) configuration in the power amplification stage, they successfully achieved direct amplification of 2 μm femtosecond pulses at high repetition rates. The system achieved femtosecond laser output with an average power exceeding 56 W at a 75.45 MHz repetition rate, demonstrating exceptionally high optical-to-optical extraction efficiency (>55%) dan kualitas sinar dekat-difraksi-terbatas (M² < 1.2). Studi ini menunjukkan bahwa tata letak SCF diskrit secara signifikan mengurangi pergeseran fase nonlinier kumulatif, secara efektif menekan efek nonlinier yang merugikan dan memastikan evolusi spektral dan temporal yang stabil selama amplifikasi. Pendekatan sederhana, kompak, dan efisien ini memungkinkan amplifikasi pulsa ultrashort 2 μm pada tingkat pengulangan MHz hingga kHz, membuka jalan baru untuk mencapai daya rata-rata/puncak tinggi dan menunjukkan potensi besar untuk aplikasi fotonik nonlinier modern.
Struktur sistem amplifikasi Ho:YAG SCF ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, terdiri dari sumber benih laser, tahap praamplifier, dan tahap penguat (terdiri dari tiga seri-terhubung dengan 0,5% doping Ho:YAG SCF). Sumber benih laser menghasilkan daya rata-rata 0,45 W pada 2091 nm, dengan lebar pulsa temporal 360 fs dan tingkat pengulangan 75,45 MHz. Setelah melewati tahap preamplifier dan tahap power amplifier tandem SCF, daya rata-rata meningkat menjadi 56,3 W, dan pulsa temporal melebar menjadi 778 fs. Karakteristik spektral dan evolusi temporal dari pulsa keluaran akhir dari seluruh sistem amplifikasi ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 1 Skema sistem amplifikasi Ho:YAG SCF
Gambar 2 Evolusi spektral dan temporal dari sistem amplifikasi Ho:YAG SCF
Dalam teknik amplifikasi konvensional, amplifikasi langsung pulsa femtodetik mengalami distorsi pulsa dan degradasi sinar akibat efek pemfokusan otomatis yang dipicu oleh pergeseran fasa nonlinier yang kuat. Batasan ini membatasi amplifier curah/serat untuk beroperasi hanya dalam rentang pulsa pikodetik. Hal ini memerlukan sistem amplifikasi pulsa kicau (CPA) berdasarkan peregangan dan kompresi pulsa. Meskipun sistem amplifikasi pulsa kicau parametrik optik (OPCPA) dapat mencapai energi pulsa tingkat miliwatt-pada tingkat pengulangan kHz, efek termal membatasi peningkatan daya dan efisiensi rata-rata. Meskipun sistem CPA berbasis serat-menawarkan keunggulan berbeda dalam daya rata-rata tinggi dan kualitas sinar tinggi, energi keluaran/daya puncaknya dibatasi oleh efek nonlinier dan kerusakan optik. Akibatnya, teknologi yang ada kesulitan untuk secara bersamaan mengoptimalkan tiga metrik kinerja utama: daya, tingkat pengulangan, dan lebar pulsa. Studi ini secara inovatif mengusulkan konfigurasi seri Ho:YAG SCF diskrit. Dengan memutus secara segmental jalur akumulasi pergeseran fasa nonlinier yang berkelanjutan, hal ini mengurangi total B-integral sistem amplifikasi. Pendekatan ini menyeimbangkan panjang SCF dengan panjang-pemfokusan mandiri, sehingga mengurangi risiko-pemfokusan mandiri. Dengan menggunakan struktur serat kristal tunggal yang terpisah, pekerjaan ini berhasil mengatasi tantangan lama dalam menekan efek nonlinier dan peningkatan efisiensi dalam amplifikasi laser femtodetik 2 μm. Teknologi ini mencapai terobosan signifikan dalam kinerja laser melalui skema amplifikasi yang sangat efisien dan disederhanakan secara struktural.
Karya ini mendemonstrasikan teknik amplifikasi langsung untuk laser femtodetik 2 μm, memberikan jalur teknis baru untuk mengembangkan laser ultracepat 2 μm yang ringkas, efisien, dan berperforma tinggi. Upaya di masa depan akan mengintegrasikan teknik pemilihan pulsa dan pasca-kompresi untuk mendapatkan energi pulsa-tunggal yang lebih tinggi dan lebar pulsa yang lebih pendek.
