孤子激光器克服了能量限制
產(chǎn)生超短光脈沖需要仔細(xì)控制光的色散：相速度取決于頻率，并且由于實(shí)際脈沖包含頻率擴(kuò)展，因此它在傳播通過光學(xué)介質(zhì)時(shí)會(huì)變寬。孤子激光器是一種簡(jiǎn)單，便宜的亞皮秒脈沖源，主要由激光二極管和光纖組成。它們通過與Kerr聚焦（當(dāng)光的電場(chǎng)改變介質(zhì)的折射率時(shí)引起的脈沖變窄）之間的平衡來平衡擴(kuò)散，從而減輕了擴(kuò)散，因此每個(gè)脈沖都作為孤子傳播，其持續(xù)時(shí)間保持不變。
孤子激光器由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)而具有吸引力，但它們無法獲得啁啾脈沖放大等技術(shù)的高能量。這是因?yàn)槟芰縀和持續(xù)時(shí)間τ呈反比，因此縮短脈沖只會(huì)增加其能量。
現(xiàn)在，悉尼大學(xué)的Antoine Runge及其同事與麥格理大學(xué)和諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的合作者已經(jīng)克服了這一限制。他們的新型純四元孤子激光器使用空間光調(diào)制器（SLM）來控制光的色散關(guān)系，以允許獲得更高的能量脈沖。
色散關(guān)系k（ω）描述了波的頻率如何與其波長(zhǎng)相關(guān)。對(duì)于常規(guī)孤子激光器中的光，該函數(shù)近似為二次方，其二階導(dǎo)數(shù)描述了在沒有Kerr聚焦的情況下脈沖將如何擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)上可以最小化可能使孤子不穩(wěn)定的非零高階導(dǎo)數(shù)。然而，2016年，悉尼大學(xué)的研究人員（包括當(dāng)前研究的作者安德里亞·布蘭科－雷東多和馬丁·德·斯特克都在內(nèi)）表明，高階色散實(shí)際上是有用的。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)光子晶體波導(dǎo)其中通過波導(dǎo)的幾何形狀消除了二階和三階色散的影響。四階色散和克爾聚焦的平衡是孤子形成的原因。
Runge及其同事制造的純四階孤子激光器采用了相同的原理。但是，研究人員使用可編程的SLM代替了專門設(shè)計(jì)的波導(dǎo)，以創(chuàng)建所需的色散分布圖。研究人員證實(shí)，四次脈沖的能量是正比于τ-3，作為預(yù)測(cè)的第四階色散孤子，而不是τ-1，如在常規(guī)的孤子。這種縮放解釋了為什么純四階激光器中的脈沖能量有可能超過現(xiàn)有設(shè)備中的脈沖能量幾個(gè)數(shù)量級(jí)。朗格及其同事的下一步是實(shí)現(xiàn)這些更高的能量。
在幾十瓦的功率下，孤子脈沖沒有打破任何記錄。然而，像微機(jī)械和軟組織手術(shù)這樣需要快速爆發(fā)出高能量的應(yīng)用，可以從緊湊、低成本的設(shè)備中獲益。
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