Een groep onderzoekers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau heeft zojuist een rapport gepubliceerd over hun ontwikkeling van een miniatuur tripler-apparaat voor het genereren van femtoseconde laserpulsen in het UV-spectrum. Het apparaat heeft een drie keer hogere efficiëntie dan eerder gebruikte opstellingen, en past op een vingertop, dankzij een uniek softwarepakket dat tijdens de ontwerpfase in Warschau is ontwikkeld.

Met nieuwe technologieën, lasers bestrijken een groeiend spectrum, maar sommige golflengten zijn nog steeds niet gemakkelijk toegankelijk. Dit omvat de ultraviolette (UV) band rond 300 nm, vooral als korte pulsduur en/of hoge intensiteiten nodig zijn. Vaak, UV-pulsen worden gegenereerd via niet-lineaire processen zoals het genereren van tweede harmonische of het genereren van somfrequenties, waarin nieuwe fotonen met hogere energie en een nieuwe kleur worden gevormd door de energie van de fundamentele pulsfotonen op te tellen. De efficiëntie van deze processen is laag, echter.

Voor vele jaren, analytische lichtvoortplantingsmodellen of eenvoudige numerieke simulaties werden gebruikt om frequentieomvormers te ontwerpen. Ze lieten wetenschappers apparaatparameters aanpassen, meestal één voor één. Deze aanpak resulteerde in de stagnatie van de conversie-efficiëntie van niet-versterkte infrarood femtoseconde lasers naar de UV derde harmonische op ongeveer 10 procent.

"Het was alsof ik naar het lab kwam, hier een knop aanpassen, een knop daar, terwijl we naar het UV-uitgangsvermogen kijken en proberen dit te maximaliseren. En 10 procent is zo goed als je kunt krijgen met deze aanpak, " zegt Michal Nejbauer, van het team van onderzoekers aan de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau, Polen.

Maar door de toenemende rekenkracht in combinatie met slimme programmeertrucs, kon voor het eerst het frequentieconversieproces van infrarood naar UV worden geoptimaliseerd.

"Onze nieuw ontwikkelde, open source simulatiepakket, genaamd Huzaar, stelt zelfs een onervaren gebruiker in staat om een ​​complex, driedimensionaal, nauwkeurige simulaties van meervoudige pulsvoortplanting en interactie met behulp van eenvoudige blokken:invoerpulsparameters, materiaaleigenschappen van de media en de betrokken processen, " legt Tomasz Kardas uit, die de software heeft ontwikkeld. "Zodra we de parameters van de ingangspuls hebben gedefinieerd, zoals energie, duur en ruimtelijk bundelprofiel, we gaan in wezen op zoek naar het beste ontwerp over een groot aantal parameters:de niet-lineaire kristaldiktes, de straalgrootte, de balk taille positie, enz. En, tot onze verbazing, zodra we deze optimale waarden hadden gevonden, het apparaat gebouwd en de prestaties gemeten, de output UV-pulsen waren precies zoals gesimuleerd. Dit soort kwantitatieve overeenkomst tussen wat men op het scherm krijgt en vervolgens metingen in het laboratorium is vrij ongebruikelijk in niet-lineaire optica."

Maar de verdrievoudiging van de procesefficiëntie met een factor drie verhogen, tot boven de 30 procent, was slechts de eerste stap. Ook mikten de onderzoekers op miniaturisering. In plaats van meerdere componenten te gebruiken die op de laboratoriumtafel zijn gemonteerd, hun derde harmonische generator (tripler) is slechts een klein blok kristallen op elkaar gestapeld.

"In feite, de metalen houder van één inch die alle elementen bij elkaar houdt, is het grootste deel van de hele opstelling, " legt Pawel Wnuk uit, die een leidende rol speelden in de apparaatkarakteriseringsexperimenten. Als resultaat, het tripler-prototype heeft het totale volume ongeveer 1000 keer kleiner dan de traditionele ontwerpen.