Gần đây, nhóm nghiên cứu của giáo sư Lu Huadong từ Viện Optoelectronics của Đại học Shanxi đã đề xuất một phương pháp một cách sáng tạo để đạt được sản lượng laser gần hồng ngoại hẹp có độ ổn định cao bằng cách trộn các quá trình tham số phát xạ và quang học kích thích. Bằng cách giới thiệu quá trình tham số quang học trong khoang cộng hưởng của laser chuyển đổi, tỷ lệ bức xạ tự phát trong quá trình hình thành xung laser đã giảm đi rất nhiều, thu hẹp hiệu quả chiều rộng xung của laser đầu ra và giảm thời gian ghi thời gian của xung laser. Cuối cùng, công suất laser gần hồng ngoại 830nm 830nm với công suất đầu ra là 7,75 W và độ rộng phổ 400,93 MHz đã thu được, và độ lệch chuẩn của jitter thời gian xung của nó chỉ là 2,285 ns. Nghiên cứu này cung cấp một ý tưởng mới để hiện thực hóa một laser phổ hẹp nhỏ gọn, công suất cao, ổn định cao mà không cần điều khiển khóa.
Các nguồn ánh sáng gần hồng ngoại (700 ~ 1000nm) đã được sử dụng rộng rãi trong xử lý vật liệu, y sinh, giám sát môi trường và nắp do sự thâm nhập tuyệt vời và đặc điểm tán xạ thấp. Thông qua công nghệ chuyển đổi tần số phi tuyến, bước sóng đầu ra của nó có thể được mở rộng thêm sang terahertz, hồng ngoại giữa, ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím, để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng đa dạng như phát hiện bảo mật, truyền thông laser, chiếu laser và in thạch bản.
Hiện tại, laser sapphire titan chuyển đổi thường được sử dụng để đạt được công suất laser gần hồng ngoại có năng lượng cao, phổ hẹp. Tuy nhiên, các tinh thể sapphire titan sẽ tạo ra các hiệu ứng nhiệt khi được bơm ở công suất cao, điều này hạn chế nghiêm trọng công suất đầu ra, hiệu quả chuyển đổi và chất lượng chùm tia của laser. Khi laser sapphire titan được vận hành ở công suất thấp, thời gian xung có kích động nghiêm trọng do tốc độ bơm thấp. Ngoài ra, sử dụng laser 532nm để bơm dao động tham số quang học cũng là một phương pháp hiệu quả để tạo ra đầu ra laser gần hồng ngoại. Mặc dù phương pháp này không bị hạn chế bởi các hiệu ứng nhiệt, do băng thông chấp nhận lớn vốn có của quá trình khớp pha, chiều rộng quang phổ của ánh sáng tín hiệu đầu ra lớn khi được bơm ở công suất cao. Để thu hẹp hiệu quả chiều rộng quang phổ của nó, nó phải được tiêm và khóa với sự trợ giúp của laser phổ hẹp chất lượng cao, không chỉ làm tăng chi phí của nguồn sáng, mà còn ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống.
Để khắc phục những khó khăn kỹ thuật hiện tại, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp để đạt được sản lượng laser gần hồng ngoại có thể ổn định cao bằng cách trộn các quá trình phát xạ và tham số quang học kích thích. Đầu tiên, quá trình động của đầu ra xung laser trước và sau khi giới thiệu quy trình tham số quang học trong laser TI: Sapphire chuyển đổi được phân tích theo lý thuyết. Như được hiển thị trong Hình 1, trong laser chuyển đổi, khi môi trường tăng được bơm, các ion pha tạp nhanh chóng được triển khai đến mức năng lượng trên của laser, sau đó đầu ra xung laser được hình thành dưới tác động phát xạ tự phát và phát xạ kích thích; Và khi quá trình tham số quang học được đưa vào khoang cộng hưởng, hiệu suất chuyển đổi phi tuyến lớn hơn của quy trình tham số quang học có thể tăng cường tốc độ phát xạ được kích thích trong quá trình hình thành xung laser và giảm tỷ lệ các thuật ngữ phát xạ tự phát, do đó thời gian thiết lập xung và độ rộng của nhĩa. Hơn nữa, vì không có độ trễ giữa đèn bơm và xung ánh sáng tín hiệu trong quá trình tham số quang học, nên độ jitter thời gian xung của laser đầu ra được cải thiện đáng kể.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một tia laser gần hồng ngoại với các quá trình phát xạ và tham số quang học hỗn hợp như trong Hình 2. TI: Sapphire Crystal và tinh thể phi tuyến LBO được đưa vào một khoang cộng hưởng như môi trường tăng và môi trường quang học. Để kiểm soát linh hoạt độ trễ giữa laser Ti: sapphire và đèn tín hiệu của quá trình tham số, hai bộ tia laser xung nano giây 532nm với tần số lặp lại là 6 kHz được sử dụng làm nguồn máy bơm, và bộ tạo nhịp độ đều được sử dụng. Ngoài ra, để thu hẹp chiều rộng phổ của laser Ti: sapphire, etalon có độ dày 0,5 mm và 10 mm và bốn bộ lọc lưỡng kim kết hợp được đưa vào khoang cộng hưởng. Cuối cùng, một phản xạ tự tiêm được chèn sau khi gương đầu ra để đảm bảo rằng hướng truyền của ánh sáng dao động Sapphire TI: Sapphire trong khoang phù hợp với ánh sáng tín hiệu của quá trình tham số quang học.
Trong thí nghiệm, thời gian xung của hai đèn bơm được điều khiển bởi một bộ tạo độ trễ/xung và các đặc tính miền thời gian của laser đầu ra sau khi đưa ra quá trình tham số quang được tối ưu hóa Quá trình hình thành xung của laser, đồng thời tăng cường tốc độ phát xạ được kích thích, do đó độ rộng xung của laser đầu ra giảm từ 66,3 ns xuống còn 18,9 ns và thời gian thiết lập xung được rút ngắn từ 372,9 ns xuống 310 ns. Đồng thời, do đặc tính của không có độ trễ giữa ánh sáng bơm và xung ánh sáng tín hiệu trong quá trình tham số quang học, công cụ bật thời gian xung của laser chuyển đổi cũng được cải thiện đáng kể và độ lệch chuẩn của nó giảm từ 9.926 NS xuống còn 2,285 ns.
Sau khi giới thiệu quy trình tham số quang học trong laser chuyển đổi và tối ưu hóa thời gian của hai xung ánh sáng bơm, đầu ra laser 7,75 W 830nm cuối cùng đã đạt được và độ ổn định năng lượng của nó tốt hơn 0,85% (RMS), như trong Hình 4 (a); Các đặc điểm chế độ theo chiều dọc được đo bằng cách sử dụng khoang FP quét (SA210-8B, Thorlabs) và kết quả cho thấy nó có thể duy trì hoạt động chế độ theo chiều dọc tốt ở công suất đầu ra tối đa, như trong Hình 4 (b); Các đặc điểm chế độ ngang được đo bằng máy phân tích chất lượng chùm tia (M2MSBC207VIS/M, Thorlabs) và yếu tố M2 chất lượng chùm tia tốt hơn 1,37 và 1,47 theo hướng X và Y, như trong Hình 4 (C). Đồng thời, bằng cách quét đồng bộ góc điều chỉnh của bộ lọc lưỡng chiết và nhiệt độ của tinh thể LBO, một phạm vi rộng của bước sóng điều chỉnh từ 764,90nm đến 873,43nm đã đạt được, như trong Hình 4 (d).
····················································
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một phương pháp để đạt được sản lượng laser gần hồng ngoại cao, ổn định cao bằng cách trộn các quá trình phát xạ và quang học kích thích, và nhận ra một laser gần hồng ngoại với cấu trúc nhỏ gọn, độ ổn định cao và chiều rộng phổ hẹp. Bằng cách giới thiệu quy trình tham số quang học trong bộ cộng hưởng laser chuyển đổi, các đặc tính miền thời gian của laser đầu ra đã được cải thiện đáng kể. Cuối cùng, laser gần hồng ngoại gần 830nm nhỏ gọn với công suất đầu ra tối đa 7,75 W và độ rộng phổ 400,93 MHz đã đạt được, với chiều rộng xung hẹp tới 18,9 ns và độ lệch chuẩn của thời gian xung giảm xuống còn 2,285 ns.
