DOI: https://doi.org/10.1017/hpl.2025.34
تاريخ النشر: 2025-01-01
المؤلف: Enlin Cai وآخرون
الموضوع الرئيسي: الدراسات التاريخية والدينية والفلسفية
نظرة عامة
تبحث هذه الورقة البحثية في خصائص التشبع الثانوي لـ HfTe\(_2\) كأداة قابلة للتشبع، محققة تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الليزر النبضي عالي الطاقة. تفيد الدراسة بتوليد طاقات نبضية تبلغ 5.85 مللي جول و7.4 مللي جول باستخدام ليزر هيرميت-غاوسي (HG) من الرتبة العليا وليزر دوامة، على التوالي، مع ألكسندريت كوسيط كسب. تمثل هذه النتائج أعلى طاقات نبضية تم تسجيلها لليزر HG وليزر الدوامة حتى الآن. بالإضافة إلى ذلك، نجح المؤلفون في تنفيذ ضبط الطول الموجي على مدى 40 نانومتر باستخدام إيتالون، مما يعزز من تعددية استخدام هذه الأنظمة الليزرية عالية الطاقة.
في الختام، تسلط الورقة الضوء على النجاح في توليد نبضات عالية الطاقة من ليزر HG وليزر الدوامة من خلال طريقة عيب النقش الميكانيكي المدمجة مع الامتصاص القابل للتشبع العكسي (RSA) في HfTe\(_2\). عند قدرة ضخ ممتصة تبلغ 8.15 واط، حقق ليزر HG طاقة نبضة واحدة تبلغ 5.85 مللي جول ومتوسط قدرة إخراج يبلغ 1.52 واط، بينما أنتج ليزر الدوامة طاقة نبضة واحدة تبلغ 7.4 مللي جول مع متوسط قدرة إخراج يبلغ 1.48 واط عند معدل تكرار منخفض يبلغ 196 هرتز. لا تُظهر هذه الدراسة فقط أعلى طاقة نبضة واحدة تم الحصول عليها عبر طريقة التوليد داخل التجويف، بل تؤكد أيضًا فوائد تأثير الامتصاص القابل للتشبع العكسي في إنتاج نبضات عالية الطاقة. كما أن نطاق الطول الموجي القابل للضبط من 747-787 نانومتر لليزر النبضي الدوامة يوسع من التطبيقات المحتملة لهذه الأنظمة الليزرية المتقدمة.
مقدمة
تناقش المقدمة مزايا أشعة هيرميت-غاوسي (HG) من الرتبة العليا مقارنة بأشعة غاوسي التقليدية، لا سيما في قدرتها على نقل مزيد من المعلومات وتطبيقاتها في الاتصالات الليزرية، والقياس البصري، والتلاعب. يمكن تحويل أشعة HG من الرتبة العليا إلى أشعة دوامة تحمل زخم الزاوية المداري (OAM)، مما يعزز من فائدتها. ومع ذلك، كانت توليد ليزر HG من الرتبة العليا محدودًا في نطاقات الطاقة المنخفضة بسبب عتبات الضرر وعدم الكفاءة في تقنيات التوليد الحالية. يبرز النص عدم كفاية كل من الطرق الخارجية والداخلية لتوليد ليزر HG من الرتبة العليا المستقرة، مما يبرز الحاجة إلى أساليب مبتكرة يمكن أن تتغلب على هذه القيود.
تشير التقدمات النظرية الأخيرة من قبل تاو وآخرين (2024) إلى أنه يمكن توليد ليزر HG من الرتبة العليا باستخدام تقنية المرآة المجزأة، التي تحافظ على كفاءة ليزر الضخ. كما تحدد المقدمة الألكسندريت كوسيط كسب واعد لليزر النبضي عالي الطاقة بسبب خصائصه الحرارية والبصرية المواتية. أظهر ليانغ وآخرون (2023) إمكانيات تبديل Q الصوتي في تحقيق نبضات عالية الطاقة في الألكسندريت. تستكشف الورقة أيضًا التحديات المتعلقة بتبديل Q السلبي (PQS) في توليد طاقات نبضية عالية، لا سيما مع الممتصات القابلة للتشبع ثنائية الأبعاد (SAs). يقدم المؤلفون نتائجهم حول SA مخصص من HfTe₂ مع خصائص تشبع ثانوية، مما مكن من توليد ليزر نبضي HG من الرتبة العليا بطاقات تصل إلى 5.85 مللي جول وليزر دوامة بقدرة 7.4 مللي جول، إلى جانب ضبط الطول الموجي الناجح من 747 إلى 787 نانومتر.
طرق
تم تفصيل إعداد التجربة لليزر الألكسندريت عالي الطاقة HG، مع تسليط الضوء على استخدام ديود ليزر (LD) بطول موجي انبعاث يبلغ 638 نانومتر لتحقيق كفاءة كمية مثلى. يتم توجيه ليزر الضخ عبر مقسم شعاع الاستقطاب لتعزيز الامتصاص في بلورة الألكسندريت، التي تم قطعها بدقة إلى أبعاد 3 مم × 3 مم × 8 مم ومشوبة بـ 0.2% Cr³⁺. ينتج نظام الربط المكون من عدسات تجميع وتركيز بقعة بقطر 200 ميكرومتر داخل البلورة، بينما يتم استخدام المرايا المستوية لكل من الربط المدخل والمخرج للحفاظ على جودة الشعاع. يتميز موصل الإخراج (OC) بنقل ثابت يبلغ 3%، مع تصميم خطوط العيوب للسماح بتعزيز فعال لوضعيات الليزر التي تتداخل مع المناطق الخالية من العيوب.
بالإضافة إلى ذلك، يتم طلاء HfTe₂ على OC لتسهيل تبديل Q وتقليل خسارة التجويف الرنيني. تشير نفاذيته البصرية عبر 350-1100 نانومتر إلى امتصاص قوي في المناطق المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء. الهيكل عديم الفجوة للمادة يمكّن من إثارة الإلكترونات عند تعرضها لليزر، مما يؤدي إلى تشبع الامتصاص I بسبب حجب باولي. تحت كثافات ليزر أعلى، تنتقل الإلكترونات إلى حالة طاقة أعلى (الامتصاص II)، مما يظهر امتصاص التشبع العكسي. تم تأكيد هذا السلوك من خلال طريقة مسح Z ذات الفتحة المفتوحة باستخدام ليزر فمتوثانية بطول موجي 800 نانومتر، مما يوضح خصائص الامتصاص القابل للتشبع لـ HfTe₂ تحت إثارة عالية الطاقة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون خصائص وأداء مجالات الضوء الهيكلية عالية الطاقة الناتجة عن ليزر هيرميت-غاوسي (HG) وليزر الدوامة. تم تحليل أنماط كثافة المجال البعيد لمختلف أوضاع ليزر HG، المتأثرة بعيوب النقش الميكانيكي. سمحت العيوب المنقوشة بالتحفيز الانتقائي لأوضاع HG المختلفة، مثل HG 10، HG 01، HG 20، HG 02، وHG 11، مع القدرة على إنتاج ليزر دوامة على شكل حلقة أيضًا. تسلط الدراسة الضوء على أن خصائص الإخراج، بما في ذلك طاقة النبضة، ومعدل التكرار، وعرض النبضة، تختلف بشكل كبير مع قدرة الضخ الممتصة، مما يكشف عن انتقال بين حالات التشغيل المستقرة وغير المستقرة. من الجدير بالذكر أن وضع HG 10 حقق أعلى معدل تكرار يبلغ 44 كيلو هرتز مع عرض نبضة يبلغ 1.9 ميكروثانية عند 6.0 واط من قدرة الضخ الممتصة.
بالإضافة إلى ذلك، استكشف المؤلفون قدرات ضبط الطول الموجي باستخدام إيتالون يعتمد على بلورة الألكسندريت، محققين نطاقًا قابلًا للضبط من 747-787 نانومتر. تشير النتائج إلى أن ليزر الدوامة يحافظ على طاقة نبضة عالية وقوة ذروة عبر هذا النطاق، مع أعلى طاقة نبضة مسجلة تبلغ 7.4 مللي جول عند معدل تكرار منخفض يبلغ 196 هرتز. تؤكد النتائج فعالية تأثير الامتصاص القابل للتشبع العكسي في توليد نبضات عالية الطاقة وتظهر التطبيقات المحتملة لهذه الليزرات في مجالات مثل العلاج الطبي والتلاعب بالذرات الباردة. بشكل عام، تمثل هذه الدراسة تقدمًا كبيرًا في توليد الليزر النبضي عالي الطاقة، مما يعرض تعدديتها وأدائها.
DOI: https://doi.org/10.1017/hpl.2025.34
Publication Date: 2025-01-01
Author(s): Enlin Cai et al.
Primary Topic: Historical, Religious, and Philosophical Studies
Overview
This research paper investigates the secondary saturation characteristics of HfTe\(_2\) as a saturable absorber, achieving significant advancements in high-energy pulsed laser technology. The study reports the generation of pulse energies of 5.85 mJ and 7.4 mJ using high-order Hermite-Gaussian (HG) and vortex lasers, respectively, with alexandrite as the gain medium. These results represent the highest pulse energies recorded for HG and vortex lasers to date. Additionally, the authors successfully implemented wavelength tuning over a range of 40 nm using an etalon, enhancing the versatility of these high-energy laser systems.
In conclusion, the paper highlights the successful generation of high-energy pulses from HG and vortex lasers through the mechanical etching defect method combined with reverse saturable absorption (RSA) in HfTe\(_2\). At an absorbed pump power of 8.15 W, the HG laser achieved a single pulse energy of 5.85 mJ and an average output power of 1.52 W, while the vortex laser produced a single pulse energy of 7.4 mJ with an average output power of 1.48 W at a low repetition rate of 196 Hz. This work not only demonstrates the highest single pulse energy obtained via the intracavity generation method but also confirms the benefits of the reverse saturable absorption effect in producing high-energy pulses. The tunable wavelength range of 747-787 nm for vortex pulse lasers further broadens the potential applications of these advanced laser systems.
Introduction
The introduction discusses the advantages of high-order Hermite-Gaussian (HG) beams over traditional Gaussian beams, particularly in their ability to transmit more information and their applications in laser communications, optical measurement, and manipulation. High-order HG beams can be transformed into vortex beams that carry orbital angular momentum (OAM), enhancing their utility. However, the generation of high-order HG lasers has been limited to low-energy ranges due to damage thresholds and inefficiencies in existing generation techniques. The text highlights the inadequacies of both extra-cavity and intra-cavity methods for producing stable high-order HG lasers, emphasizing the need for innovative approaches that can overcome these limitations.
Recent theoretical advancements by Tao et al. (2024) suggest that high-order HG lasers can be generated using a segmented mirror technique, which preserves pump laser efficiency. The introduction also identifies alexandrite as a promising gain medium for high-energy pulsed lasers due to its favorable thermal and optical properties. Liang et al. (2023) demonstrated the potential of acousto-optic Q-switching in achieving high-energy pulses in alexandrite. The paper further explores the challenges of passive Q-switching (PQS) in generating high pulse energies, particularly with two-dimensional saturable absorbers (SAs). The authors present their findings on a custom-made HfTe₂ SA with secondary saturation characteristics, which enabled the generation of high-order HG pulsed lasers with energies up to 5.85 mJ and vortex lasers with 7.4 mJ, alongside successful wavelength tuning from 747 to 787 nm.
Methods
The experimental setup for the high-energy HG alexandrite laser is detailed, highlighting the use of a laser diode (LD) with an emission wavelength of 638 nm for optimal quantum efficiency. The pump laser is directed through a polarization beam splitter to enhance absorption in the alexandrite crystal, which is precision-cut to dimensions of 3 mm × 3 mm × 8 mm and doped with 0.2% Cr³⁺. A coupling system comprising collimating and focusing lenses generates a 200 μm diameter spot within the crystal, while plane mirrors are employed for both input and output coupling to preserve beam quality. The output coupler (OC) features a fixed transmittance of 3%, with defect stripes designed to allow effective amplification of laser modes overlapping with defect-free areas.
Additionally, HfTe₂ is coated onto the OC to facilitate Q-switching and reduce resonant cavity loss. Its optical transmittance across 350-1100 nm indicates strong absorption in the visible and near-infrared regions. The material’s zerobandgap structure enables electron excitation upon laser incidence, leading to saturation of Absorption I due to Pauli blocking. Under higher laser intensities, electrons transition to a higher energy state (Absorption II), demonstrating reverse saturation absorption. This behavior is confirmed through the open aperture Z-scan method with an 800 nm femtosecond laser, illustrating the saturable absorption characteristics of HfTe₂ under high-energy excitation.
Discussion
In this section, the authors discuss the characteristics and performance of high-energy structured light fields generated by Hermite-Gaussian (HG) and vortex lasers. The far-field intensity patterns of various HG laser modes, influenced by mechanical etching defects, were analyzed. The etched defects allowed for the selective excitation of different HG modes, such as HG 10, HG 01, HG 20, HG 02, and HG 11, with the ability to produce a ring-shaped vortex laser as well. The study highlights that the output characteristics, including pulse energy, repetition rate, and pulse width, vary significantly with absorbed pump power, revealing a transition between stable and unstable states of operation. Notably, the HG 10 mode achieved a maximum repetition rate of 44 kHz with a pulse width of 1.9 μs at 6.0 W of absorbed pump power.
Additionally, the authors explored wavelength tuning capabilities using an etalon based on an alexandrite crystal, achieving a tunable range of 747-787 nm. The results indicate that the vortex laser maintains high pulse energy and peak power across this range, with the highest recorded pulse energy of 7.4 mJ at a low repetition rate of 196 Hz. The findings underscore the effectiveness of the reverse saturable absorption effect in generating high-energy pulses and demonstrate the potential applications of these lasers in fields such as medical treatment and cold atom manipulation. Overall, this research marks a significant advancement in the generation of high-energy pulsed lasers, showcasing their versatility and performance.