Från precisionsbearbetning till avancerad mikroskopi fortsätter efterfrågan på högre - kraftfulla lasrar att växa. Traditionellt har forskare förlitat sig på enstaka - -fibrer för att bygga dessa lasrar, men de står inför en grundläggande fysisk gräns för energiproduktion. För att bryta igenom denna flaskhals har vi vänt oss till multimodfibrer, som kan bära många lätta lägen - väsentligen olika ljusformer - på en gång, en teknik som kallas spatiotemporal läge - LOCKING (STML).
Att få dessa olika lägen att arbeta tillsammans i harmoni har dock varit en betydande utmaning. I vår senaste forskning, publicerad iOptikbrev, har vi utvecklat en ny teknik som gör det möjligt för oss att exakt och oberoende kontrollera var och en av dessa tvärgående lägen, vilket leder till ett dramatiskt uppsving i laserkraft och mångsidighet.
Kärnproblemet vi mötte kallas intermodal spridning. I en multimodfiber körs olika ljuslägen med något olika hastigheter. Denna hastighetsmissanpassning får laserpulserna att spridas ut och separeras i tid och rum, vilket förhindrar bildandet av stabila, höga - kraftpulser. Tidigare STML -tekniker använde vanligtvis en metod som kallas rumslig filtrering för att kompensera för denna dispersion, men detta tillvägagångssätt begränsar antalet lägen som kan låsas ihop och därmed kapning av den potentiella effektförbättringen.
För att lösa detta föreslog vi en tvärgående styrningsteknik för division. Vårt tillvägagångssätt är enkelt: Vi använder en enhet som kallas en läge multiplexer/demultiplexer (mUX/DEMUX) för att separera den blandade strålen inuti multimodfiberen i enskilda kanaler, en för varje läge. När vi har separerats kan vi hantera spridningen (dvs. reseförseningen) för varje läge oberoende genom att lägga till exakta längder av kompensationsfiber till varje kanal.
Efter att ha optimerat varje läge rekombinerar vi dem med en multiplexer till en enda, kraftfull och sammanhängande stråle. Denna metod tillåter teoretiskt att låsa ett antal lägen och maximera fiberens energipotential.
Vi implementerade vår teknik i en figur - åtta, yb - doped, all - fiber, spatiotemporal, mode - låst laser. De experimentella resultaten var mycket uppmuntrande. Genom att låsa fyra tvärläge (LP01, LP11, LP21 och LP02) samtidigt uppnådde vi dissipativa solitonpulser med 15 NJ energi vid en upprepningshastighet på 14,49 MHz.
Av avgörande betydelse demonstrerade vi att utgångseffekten skalar med antalet deltagande lägen. När fyra lägen var låsta samtidigt nådde lasers lutningseffektivitet - ett mått på hur effektivt den konverterar pumpkraft till utgångseffekt - 7,9%, vilket är mer än dubbelt 3,79% effektivitet för enstaka - -läge.
Dessutom erbjuder vår teknik enastående stråle - formningsfunktioner. Genom att dynamiskt välja kombinationen av lägen involverade i läget - låsning genererade vi framgångsrikt en kvasi - platt - toppstråle med en enhetlig intensitetsprofil. Denna specialiserade stråle uppnådde en genomsnittlig utgångseffekt på 150 MW och en enda pulsenergi på 10,4 NJ vid en pumpkraft på 3 W. Vår laser visade också utmärkt lång - termstabilitet, med minimal centrum - frekvensdrift efter 12 timmars kontinuerlig drift.
Sammanfattningsvis har vi utvecklat och experimentellt validerat en ny kontrollteknik som övervinner kärnkraften - skalbarhetsflaskhals i STML -fiberlasrar. Genom att oberoende kontrollera spridningen av varje tvärgående läge ger vårt schema en livskraftig väg till att synkronisera ett antal lägen och maximera energiuttag.
Vi tror att denna universella ram för flera - -läge Spatiotemporal Dynamics Control banar vägen för nästa generation av ultraktiga ljuskällor, lovande påverkande tillämpningar i precisionstillverkning, olinjär mikroskopi och attosekundvetenskap.
Den här historien är en del av Science X -dialogen, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om Science X -dialog och hur du deltar.
