Les lasers femtoseconde fonctionnent comme des « scalpels optiques » de haute précision, jouant un rôle irremplaçable dans l'usinage de précision, la chirurgie médicale, la détection spectrale et la recherche scientifique. En particulier dans la bande de longueur d’onde de 2 µm, ces lasers couvrent plusieurs niveaux d’énergie vibratoire moléculaire et chevauchent les pics d’absorption de divers composés aminés et tissus biologiques. Par conséquent, leurs demandes d'application sont particulièrement urgentes dans des domaines tels que le traitement des matériaux non métalliques et le génie biomédical.
Cependant, l’amplification de lasers à graine femtoseconde faibles à une puissance élevée est exceptionnellement difficile. Le principal défi réside dans les interactions non linéaires intenses entre l'intensité optique extrêmement élevée de l'impulsion femtoseconde et le milieu amplificateur pendant l'amplification. De plus, des effets thermiques sévères à des taux de répétition élevés peuvent dégrader la qualité du faisceau, provoquer une distorsion des impulsions et même endommager les composants optiques. Les solutions existantes utilisent principalement la technologie d'amplification d'impulsions chirpées (CPA), qui consiste d'abord à élargir temporellement l'impulsion (réduire la puissance de crête), à amplifier l'énergie laser jusqu'à un certain niveau, puis à la comprimer. Cependant, ce système est complexe, coûteux et encombrant. Par conséquent, la capacité d'éliminer les étapes d'élargissement et de compression et d'obtenir une « amplification directe » d'impulsions femtosecondes de 2 µm tout en conservant une structure simple et compacte et une forte capacité de gestion de puissance est devenue un point chaud de la recherche dans le domaine de la technologie d'amplification.
Amplificateur laser femtoseconde basé sur un SCF « discret »
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 %) et une qualité de faisceau quasi--diffraction-limitée (M² < 1,2). L'étude démontre que la disposition discrète du SCF réduit considérablement le déphasage non linéaire cumulé, supprimant efficacement les effets non linéaires néfastes et garantissant une évolution spectrale et temporelle stable pendant l'amplification. Cette approche simple, compacte et efficace permet d'amplifier des impulsions ultracourtes de 2 µm à des taux de répétition MHz à kHz, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour atteindre une puissance moyenne/crête élevée et présentant un immense potentiel pour les applications photoniques non linéaires modernes.
La structure de ce système d'amplification Ho:YAG SCF, comme le montre la figure 1, comprend une source d'amorçage laser, un étage de préamplificateur et un étage amplificateur (constitué de trois SCF Ho:YAG dopés à 0,5 % connectés en série). La source d'amorçage laser délivre une puissance moyenne de 0,45 W à 2 091 nm, avec une largeur d'impulsion temporelle de 360 fs et un taux de répétition de 75,45 MHz. Après avoir traversé l'étage de préamplificateur et l'étage d'amplificateur de puissance tandem SCF, la puissance moyenne augmente jusqu'à 56,3 W et l'impulsion temporelle s'élargit jusqu'à 778 fs. Les caractéristiques spectrales et l'évolution temporelle de l'impulsion de sortie finale de l'ensemble du système d'amplification sont présentées sur la figure 2.
Figure 1 Schéma du système d'amplification Ho:YAG SCF
Figure 2 Evolution spectrale et temporelle du système d'amplification Ho:YAG SCF
Dans les techniques d'amplification conventionnelles, l'amplification directe des impulsions femtosecondes souffre d'une distorsion des impulsions et d'une dégradation du faisceau en raison des effets d'autofocalisation déclenchés par de forts déphasages non linéaires. Cette limitation limite les amplificateurs de masse/fibre à fonctionner uniquement dans la plage d'impulsions picosecondes. Cela nécessite des systèmes d’amplification d’impulsions gazouillées (CPA) basés sur l’étirement et la compression des impulsions. Alors que les systèmes d'amplification d'impulsions à modulation optique paramétrique (OPCPA) peuvent atteindre une énergie d'impulsion de niveau milliwatt- à des taux de répétition en kHz, les effets thermiques limitent les améliorations de la puissance et de l'efficacité moyennes. Alors que les systèmes CPA à base de fibre-offrent des avantages distincts en termes de puissance moyenne élevée et de qualité de faisceau élevée, leur énergie de sortie/puissance maximale est limitée par des effets non linéaires et des dommages optiques. Par conséquent, les technologies existantes ont du mal à optimiser simultanément les trois indicateurs de performance clés : la puissance, le taux de répétition et la largeur d’impulsion. Cette étude propose de manière innovante une configuration discrète en série Ho:YAG SCF. En interrompant de manière segmentaire le chemin d'accumulation continu du déphasage non linéaire, cela réduit l'intégrale B - totale du système d'amplification. Cette approche équilibre la longueur du SCF avec la longueur d'auto-focalisation, atténuant ainsi les risques d'autofocalisation-. En utilisant une structure de fibre monocristalline discrète-, ce travail surmonte avec succès les défis de longue date liés à la suppression des effets non linéaires et à l'amélioration de l'efficacité de l'amplification laser femtoseconde de 2 μm. Il réalise des avancées significatives en matière de performances laser grâce à un schéma d’amplification hautement efficace et structurellement simplifié.
Ce travail démontre une technique d'amplification directe pour les lasers femtoseconde de 2 μm, offrant une nouvelle voie technique pour développer des lasers ultrarapides de 2 μm compacts, efficaces et hautes-performances. Les efforts futurs intégreront des techniques de sélection d'impulsions et de post-compression pour rechercher une énergie d'impulsion unique-plus élevée et des largeurs d'impulsion plus courtes.
