לייזרים של פמט-שנייה מתפקדים כ"אזמלים אופטיים" מדויקים ביותר, וממלאים תפקיד שאין לו תחליף בעיבוד שבבי מדויק, כירורגיה רפואית, זיהוי ספקטרלי ומחקר מדעי. בייחוד ברצועת אורך הגל של 2 מיקרומטר, לייזרים אלה מכסים רמות אנרגית רטט מולקולריות מרובות וחופפים לפסגות ספיגה של תרכובות אמינו שונות ורקמות ביולוגיות. כתוצאה מכך, דרישות היישום שלהם דחופות במיוחד בתחומים כמו עיבוד חומרים לא-מתכתיים והנדסה ביו-רפואית.
עם זאת, הגברה של לייזרים חלשים של פמט-שנייה לעוצמה גבוהה היא קשה במיוחד. האתגר המרכזי טמון באינטראקציות הלא-לינאריות האינטנסיביות בין העוצמה האופטית הגבוהה ביותר של הדופק הפמט-שנייה לבין המדיום המגביר במהלך ההגברה. בנוסף, השפעות תרמיות חמורות בשיעורי חזרות גבוהים עלולות לפגוע באיכות האלומה, לגרום לעיוות דופק ואפילו לפגוע ברכיבים אופטיים. הפתרונות הקיימים משתמשים בעיקר בטכנולוגיית הגברת דופק ציוץ (CPA), הכוללת תחילה הרחבה זמנית של הדופק (הפחתת הספק שיא), הגברה של אנרגיית הלייזר לרמה מסוימת ולאחר מכן דחיסה חזרה. עם זאת, מערכת זו מורכבת, יקרה ומסורבלת. לכן, היכולת לבטל את שלבי ההרחבה והדחיסה ולהשיג "הגברה ישירה" של פולסים של 2 מיקרומטר פמט-שנייה תוך שמירה על מבנה פשוט וקומפקטי ויכולת ניהול כוח חזקה הפכה למוקד מחקר בתחום טכנולוגיית ההגברה.
מגבר לייזר Femtosecond מבוסס על SCF "דיסקרטי".
Recently, researchers including Wang Jianlei and Zhao Yongguang from the State Key Laboratory of Crystal Materials at Shandong University proposed an innovative B-integral (nonlinear phase shift) management strategy. By employing a discrete single-crystal fiber (SCF) configuration in the power amplification stage, they successfully achieved direct amplification of 2 μm femtosecond pulses at high repetition rates. The system achieved femtosecond laser output with an average power exceeding 56 W at a 75.45 MHz repetition rate, demonstrating exceptionally high optical-to-optical extraction efficiency (>55%) ואיכות קרן כמעט מוגבלת ל-עקיפה- (M² < 1.2). המחקר מדגים כי פריסת ה-SCF הבדידה מפחיתה באופן משמעותי את הסטת פאזה לא ליניארית מצטברת, למעשה מדכאת השפעות לא ליניאריות מזיקות ומבטיחה אבולוציה ספקטרלית וזמנית יציבה במהלך ההגברה. גישה פשוטה, קומפקטית ויעילה זו מאפשרת הגברה של פולסים אולטרה-קצרים של 2 מיקרומטר בקצבי החזרה של מגה-הרץ עד קילו-הרץ, פותחת אפיקים חדשים להשגת הספק ממוצע/שיא גבוה ומציגה פוטנציאל עצום ליישומי פוטוניקה לא ליניאריים מודרניים.
המבנה של מערכת ההגברה הזו של Ho:YAG SCF, כפי שמוצג באיור 1, מורכב ממקור לייזר, שלב קדם מגבר ושלב מגבר (המורכב משלוש סדרות-מחוברות 0.5% Ho:YAG SCFs מסוממים). מקור הזרע של הלייזר מספק הספק ממוצע של 0.45 W ב-2091 ננומטר, עם רוחב פולסים זמני של 360 fs וקצב חזרות של 75.45 מגה-הרץ. לאחר מעבר שלב הקדם-מגבר ושלב מגבר הספק SCF טנדם, ההספק הממוצע עולה ל-56.3 W, והפולס הזמני מתרחב ל-778 fs. המאפיינים הספקטרליים וההתפתחות הזמנית של דופק הפלט הסופי מכל מערכת ההגברה מוצגים באיור 2.
איור 1 סכימה של מערכת ההגברה Ho:YAG SCF
איור 2 התפתחות ספקטרלית וזמנית של מערכת ההגברה Ho:YAG SCF
בטכניקות הגברה קונבנציונליות, הגברה ישירה של פעימות פמט-שנייה סובלת מעיוות דופק ופירוק קרן עקב השפעות מיקוד עצמי- המופעלות על ידי הזזות פאזה לא ליניאריות חזקות. מגבלה זו מגבילה מגברי בתפזורת/סיבים לפעול רק בטווח הפולסים הפיקושניות. הדבר מחייב מערכות הגברת דופק ציוץ (CPA) המבוססות על מתיחה ודחיסה של הדופק. בעוד שמערכות אופטי פרמטרי ציוץ דופק (OPCPA) יכולות להשיג אנרגיית פולסים ברמת מיליוואט בשיעורי חזרות קילו-הרץ, השפעות תרמיות מגבילות שיפורים בהספק וביעילות הממוצעת. בעוד שמערכות CPA מבוססות-סיבים מציעות יתרונות ברורים בהספק ממוצע גבוה ובאיכות אלומה גבוהה, אנרגיית הפלט/הספק השיא שלהן מוגבלים על ידי השפעות לא ליניאריות ונזק אופטי. כתוצאה מכך, הטכנולוגיות הקיימות מתקשות לייעל בו זמנית את שלושת מדדי הביצועים העיקריים: כוח, קצב חזרות ורוחב הדופק. מחקר זה מציע באופן חדשני תצורה נפרדת מסדרת Ho:YAG SCF. על ידי הפרעה מקטעית של נתיב הצבירה הרציף של הסטת פאזה לא ליניארית, הוא מפחית את אינטגרל B- הכולל של מערכת ההגברה. גישה זו מאזנת בין אורך SCF עם אורך{12}}מיקוד עצמי, ובכך מפחיתה את סיכוני המיקוד העצמי. על ידי שימוש במבנה בודד של סיב גביש-יחיד, עבודה זו מתגברת בהצלחה על האתגרים-הארוכים של דיכוי אפקט לא ליניארי ושיפור היעילות בהגברת לייזר של 2 מיקרומטר פמט-שניות. הוא משיג פריצות דרך משמעותיות בביצועי הלייזר באמצעות ערכת הגברה יעילה ביותר, מפושטת מבחינה מבנית.
עבודה זו מדגימה טכניקת הגברה ישירה עבור לייזרים של 2 מיקרומטר פמט-שנייה, המספקת מסלול טכני חדש לפיתוח לייזרים קומפקטיים, יעילים ובעלי ביצועים גבוהים של 2 מיקרומטר מהירים במיוחד. מאמצים עתידיים ישלבו טכניקות בחירת דופק ופוסט-דחיסה כדי להשיג אנרגיית דופק בודדת- גבוהה יותר ורוחב פולס קצר יותר.
