Fuentes ultrarrápidas de alta potencia en el infrarrojo medio de 2 a 5 μm basadas en una fuente de longitud de onda dual - Parte 2

1 Introducción

La tecnología DFG utiliza una fuente de luz infrarroja cercana como pulso de bombeo y realiza la conversión de longitud de onda mediante efectos no lineales para generar pulsos de señal. En el cristal no lineal, el pulso de bombeo y el pulso de señal convierten la energía en la banda infrarroja media mediante un proceso de mezcla de tres ondas, logrando así una salida láser ultrarrápida en el infrarrojo medio con alta potencia y un amplio rango de sintonización. En 2020, Zhou et al. obtuvieron una fuente de luz ultrarrápida de doble longitud de onda basada en un láser de fibra dopado con erbio, ampliando el espectro de la luz de señal a 1,3-1,9.metrom a través de una fibra óptica altamente no lineal, y produjo un espectro infrarrojo medio con una longitud de onda ajustable en el rango de 2,3 a 5,4metrom en un cristal de niobato de litio de polarización periódica (PPLN). El grupo de investigación diseñó y fabricó además un cristal PPLN con chirrido, cuyo período de polarización variaba entre 32 y 23metrom con la dirección de transmisión del láser y, finalmente, generar un supercontinuo de banda ancha que cubre de 2,5 a 5,5metrom. En la detección de espectros de absorción de gases de etileno y monóxido de carbono, el sistema observó líneas de absorción claras. En 2023, Liu et al. utilizaron tecnología DFG en cristales de GaSe para generar luz infrarroja media. El rango de longitud de onda del pulso de salida en el infrarrojo medio fue de 7,7-17,3 µm, y la potencia media máxima fue de 58,3 mW. Sin embargo, la potencia de salida media de la fuente de luz lograda en el trabajo anterior fue inferior a 1 W, lo que limitó los escenarios de aplicación de la fuente de luz. Por el contrario, Catanese et al. utilizaron una fuente de luz de doble longitud de onda de alta potencia basada en un láser de fibra dopado con erbio para lograr un láser ultrarrápido de infrarrojo medio de 6,7 W en un DFG compuesto por cristales PPLN de dos etapas. Este trabajo aumentó significativamente la potencia media de salida, pero el rango ajustable de su fuente de luz fue relativamente pequeño.

Este artículo adopta la tecnología DFG para generar láseres ultrarrápidos en el infrarrojo medio con alta potencia de salida y amplio rango de sintonización. El esquema experimental se muestra en la Figura 1. El láser de fibra dopada con erbio, con una frecuencia de repetición de 33,3 MHz, se divide en dos rutas: una expande el espectro a 1,03 µm a través de una fibra altamente no lineal y utiliza la tecnología de amplificación de pulsos chirped (CPA) de fibra dopada con iterbio para aumentar la potencia a 30 W como luz de bombeo para el proceso de diferencia de frecuencia; la otra ruta ingresa al sistema CPA de fibra dopada con erbio, aumenta la potencia a 4,6 W y utiliza la tecnología de selección de espectro basada en modulación de fase propia (SPM-Enabled Spectral Selection, SESS) para generar lóbulos laterales espectrales con longitudes de onda ajustables de 1,3 µm a 1,9 µm como luz de señal para el proceso de diferencia de frecuencia. La luz de la bomba y la luz de señal experimentan una acción de frecuencia diferente en el cristal PPLN, obteniendo así una fuente de luz ultrarrápida de infrarrojo medio de alta potencia.

Fig. 1. Esquema DFG basado en una fuente de luz de femtosegundos de doble longitud de onda y alta potencia.