Hochleistungs-Ultrakurzpulsquellen im mittleren Infrarotbereich bei 2 - 5 μm basierend auf einer Quelle mit zwei Wellenlängen - Teil 2

1 Einleitung

Die DFG-Technologie nutzt eine Nahinfrarot-Lichtquelle als Pumpimpuls und realisiert die Wellenlängenumwandlung durch nichtlineare Effekte zur Erzeugung von Signalimpulsen. Im nichtlinearen Kristall wandeln Pump- und Signalimpuls durch Dreiwellenmischung Energie in den mittleren Infrarotbereich um und ermöglichen so einen ultraschnellen Laserausgang im mittleren Infrarotbereich mit hoher Ausgangsleistung und großem Abstimmbereich. Im Jahr 2020 entwickelten Zhou et al. eine zweiwellige ultraschnelle Lichtquelle auf Basis eines erbiumdotierten Faserlasers, die das Signallichtspektrum auf 1,3–1,9 Wellenlängen erweiterte.Mm durch eine hochgradig nichtlineare optische Faser und erzeugte ein mittleres Infrarotspektrum mit einer Wellenlänge, die im Bereich von 2,3-5,4 einstellbar istMm in einem periodisch gepolten Lithiumniobatkristall (PPLN). Die Forschungsgruppe entwickelte und fertigte außerdem einen gechirpten PPLN-Kristall, dessen Polarisationsperiode zwischen 32 und 23 variierte.Mm mit der Richtung der Laserübertragung und schließlich Ausgabe eines Breitband-Superkontinuums mit einer Abdeckung von 2,5-5,5Mm. Bei der Erfassung der Absorptionsspektren von Ethylen und Kohlenmonoxid beobachtete das System klare Absorptionslinien. Im Jahr 2023 verwendeten Liu et al. die DFG-Technologie in GaSe-Kristallen, um Licht im mittleren Infrarotbereich zu erzeugen. Der Wellenlängenbereich der ausgegebenen Impulse im mittleren Infrarotbereich lag bei 7,7–17,3 µm, und die maximale Durchschnittsleistung betrug 58,3 mW. Allerdings lag die Durchschnittsleistung der in der obigen Arbeit erreichten Lichtquelle unter 1 W, was die Anwendungsszenarien der Lichtquelle einschränkte. Im Gegensatz dazu verwendeten Catanese et al. eine Hochleistungslichtquelle mit zwei Wellenlängen auf Basis eines Erbium-dotierten Faserlasers, um einen 6,7 W starken ultraschnellen Mittelinfrarotlaser in einem DFG aus zweistufigen PPLN-Kristallen zu erzeugen. Diese Arbeit erhöhte die Durchschnittsleistung deutlich, aber der abstimmbare Bereich der Lichtquelle war relativ klein.

In diesem Artikel wird die DFG-Technologie verwendet, um ultraschnelle Laser im mittleren Infrarotbereich mit hoher Ausgangsleistung und großem Abstimmbereich zu erzeugen. Das experimentelle Schema ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Erbium-dotierte Faserlaser mit einer Wiederholungsfrequenz von 33,3 MHz ist in zwei Pfade aufgeteilt: Ein Pfad erweitert das Spektrum durch eine stark nichtlineare Faser auf 1,03 µm und verwendet die Chirped Pulse Amplification (CPA)-Technologie der Ytterbium-dotierten Faser, um die Leistung als Pumplicht für den Differenzfrequenzprozess auf 30 W zu erhöhen; der andere Pfad tritt in das CPA-System der Erbium-dotierten Faser ein, erhöht die Leistung auf 4,6 W und verwendet die auf Selbstphasenmodulation basierende Spektrumauswahltechnologie (SPM-Enabled Spectral Selection, SESS), um spektrale Nebenkeulen mit einstellbaren Wellenlängen von 1,3 µm bis 1,9 µm als Signallicht für den Differenzfrequenzprozess zu erzeugen. Das Pumplicht und das Signallicht unterliegen im PPLN-Kristall einer Wirkung unterschiedlicher Frequenzen, wodurch eine leistungsstarke ultraschnelle Lichtquelle im mittleren Infrarotbereich entsteht.

Abb. 1. DFG-Schema basierend auf einer Hochleistungs-Femtosekundenlichtquelle mit zwei Wellenlängen