Pulslasers die volledig op optische vezels zijn gebouwd, worden steeds vaker door de industrie gebruikt. Optische wetenschappers van het Warschau Laser Centrum van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen en de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben ultrakorte laserpulsen gegenereerd in een optische vezel met een methode die voorheen als fysiek onmogelijk werd beschouwd. Hun oplossing is niet alleen nuttig, maar ook verrassend eenvoudig.

Een innovatieve fiberlaser is ontwikkeld in het Lasercentrum van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) en de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau. Met behulp van een eenvoudige oplossing, de optische wetenschappers van Warschau hebben een van de soorten optische vezellasers "gedwongen" om ultrakorte, hoogenergetische pulsen. De nieuwe laser heeft geen mechanisch gevoelige externe onderdelen, wat vooral interessant lijkt voor toekomstige toepassingen. De uitvinding versnelt de verwerking van materialen in industriële lasermachines aanzienlijk.

"Vezellasers kunnen zo worden gebouwd dat alle processen die belangrijk zijn voor het genereren en vormen van de ultrakorte pulsen in de vezel zelf plaatsvinden. Dergelijke apparaten, zonder externe mechanisch gevoelige componenten, zeer stabiel werken, en zijn ideaal voor het werken in moeilijke omstandigheden, " zegt Dr. Yuriy Stepanenko (IPC PAS).

Laseractie in de vezel leidt tot het genereren van een continue lichtstraal. Het vrijkomen van energie in de kortst mogelijke pulsen is, echter, veel gunstiger, omdat het een grote toename van kracht betekent. Pulsen worden gegenereerd in fiberlasers via een verzadigbaar absorbersysteem. Wanneer de lichtintensiteit laag is, de absorber blokkeert het licht; als het hoog is, de absorber laat het door. Omdat femtoseconde-pulsen een grotere intensiteit hebben dan een continue straal, de parameters van de absorber kunnen zo worden aangepast dat deze alleen pulsen toelaat.

"Tot nu toe, grafeen platen, onder andere, zijn gebruikt als de verzadigbare absorbers, in de vorm van een dunne laag afgezet op de punt van de vezel. Maar de diameters van optische vezels zijn in de orde van enkele microns. Zelfs een beetje energie in zo'n kleine doorsnede heeft een aanzienlijke dichtheid per oppervlakte-eenheid, die de levensduur van de materialen beïnvloeden. Daarom, als een poging werd gedaan om de kracht van de femtoseconde-pulsen te vergroten, het grafeen op de punt van de connector was vernietigd. andere absorbers, zoals koolstof nanobuisjes, kan ook degradatie ondergaan, " legt Jan Szczepanek uit, een promovendus van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau.

Om hogere energie femtoseconde pulsen in de optische vezel te genereren, de natuurkundigen van Warschau besloten om verzadigbare absorbers van een ander type te verbeteren, door slim gebruik te maken van optische fenomenen zoals niet-lineaire effecten die een verandering in de brekingsindex van glas veroorzaken.

Elektrische en magnetische lichtvelden oscilleren gewoonlijk willekeurig, onderling loodrechte richtingen. Wanneer de velden de hele tijd in hetzelfde vlak oscilleren, de golf wordt lineair gepolariseerd genoemd. Bij klassieke optica wordt aangenomen dat wanneer zo'n golf door een medium gaat, het ervaart een constante brekingsindex, ongeacht de lichtintensiteit. Bij niet-lineaire optica is dit anders:bij een voldoende hoge lichtintensiteit, de brekingsindex begint iets toe te nemen.

Een niet-lineaire kunstmatige verzadigbare absorber werkt als volgt. Bij de ingang, het lineair gepolariseerde licht wordt opgedeeld in een bundel met een lage intensiteit en een bundel met een hoge intensiteit. Het medium van de absorber kan zo worden gekozen dat beide lichtbundels een iets andere brekingsindex ervaren, zodat ze met iets verschillende (fase)snelheden kunnen reizen. Als gevolg van het snelheidsverschil het polarisatievlak begint te draaien. Aan de uitgang van de absorber, er is een polarisatiefilter dat alleen golven doorlaat die loodrecht op het polarisatievlak van het invallende licht oscilleren. Wanneer de laser in continue modus werkt, het licht in de bundel is van een relatief lage intensiteit, er treedt geen optisch padverschil op, de polarisatie verandert niet, en het uitgangsfilter blokkeert het licht. Bij een voldoende hoge intensiteit, typisch voor femtoseconde pulsen, de rotatie van polarisatie zorgt ervoor dat de puls door de polarisator gaat.

Om de verzadigbare absorber met polarisatierotatie te laten werken, de vezel moet verschillende brekingsindices hebben in verschillende richtingen (dus moet hij dubbelbrekend zijn), en beide indices moeten ook stabiel zijn. Het probleem is dat in gewone optische vezels, dubbele breking treedt per ongeluk op, bijv. als gevolg van stress veroorzaakt door de aanraking van een vinger. Lasers die op deze manier zijn gebouwd, zijn extreem gevoelig voor externe factoren. Beurtelings, dubbele breking van de polarisatiebehoudende vezels is zo groot dat het licht zich slechts in één richting voortplant, en de constructie van kunstmatige verzadigbare absorbers wordt fysiek onmogelijk.

"Dubbelbrekende optische vezels die de polarisatietoestand van het binnenkomende licht behouden, zijn al in productie. We zijn de eersten die demonstreren hoe ze kunnen worden gebruikt om een ​​verzadigbare absorber te bouwen:we snijden de optische vezel in segmenten van de juiste lengte en verbinden ze vervolgens opnieuw, elk opeenvolgend segment 90 graden roteren ten opzichte van zijn voorganger, ", zegt promovendus Szczepanek.

"Rotatie betekent dat als in een segment een puls met, zullen we zeggen, verticale polarisatie gaat langzaam, in de volgende, het zal sneller rennen en de tweede puls inhalen, loodrecht gepolariseerd. Een eenvoudige procedure heeft ons daarom in staat gesteld om het belangrijkste obstakel voor het verhogen van de energie, dat is, het grote verschil in snelheden tussen pulsen van verschillende polariteiten, typisch voor alle polarisatiebehoudende vezels, " legt Dr. Stepanenko uit.

Hoe meer geroteerde segmenten er zijn, hoe beter de kwaliteit van de pulsen die in de vezel worden gegenereerd. In de laser gebouwd in het laboratorium van Warschau, de verzadigbare absorber bestond uit een vezel met een lengte van ongeveer 3 m, verdeeld in drie segmenten, en een filterende polarisator. Het potentiële aantal geroteerde segmenten kan worden verhoogd tot zelfs een tiental.

De nieuwe laser produceert femtosecondepulsen van hoge kwaliteit, en hun energie kan tot 1000 keer groter zijn dan typisch voor lasers met materiaalabsorbers. In vergelijking met de apparaten met kunstmatige absorbers, de laser die door wetenschappers uit Warschau is gemaakt, is veel eenvoudiger van constructie en daardoor aanzienlijk betrouwbaarder.