Negli ultimi decenni, sono state considerate solo le modalità temporali per i laser in fibra mode-locked che utilizzano fibre monomodali. I laser a fibra monomodali con blocco della modalità offrono vantaggi grazie al loro drogaggio ad alto guadagno, modalità intrinsecamente monospaziale, e allestimenti compatti. Però, in termini di livelli di potenza, i laser in fibra mode-locked soffrono di un'elevata non linearità, che è introdotto dalla piccola dimensione del nucleo delle fibre monomodali. Ricercatori dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, La Svizzera (EPFL) ha recentemente sviluppato un nuovo approccio per la generazione di alta energia, impulsi ultracorti con qualità del raggio monomodale:pulizia del raggio non lineare in una cavità laser multimodale.

Blocco della modalità spaziotemporale

L'approccio tradizionale per superare il problema del livello di potenza è innanzitutto quello di generare impulsi ultracorti a bassa potenza (i cosiddetti oscillatori laser), seguita da una cascata di amplificatori per aumentare i livelli di potenza. Ma l'amplificazione esterna aumenta i costi e la complessità.

Recentemente, fibre multimodali, fibre multimodali a indice particolarmente graduato, hanno attirato l'attenzione per la loro bassa dispersione modale e l'autofocus periodico della luce all'interno. Pulizia del fascio spaziale, conversione della lunghezza d'onda, e il blocco della modalità spaziotemporale sono stati dimostrati con fibre multimodali a indice graduato.

Il blocco della modalità spaziotemporale è un approccio più recente alla generazione di impulsi ultracorti. Crea un equilibrio tra effetti spaziali e temporali all'interno di una cavità laser multimodale, che supporta più percorsi per guidare la luce. Il grande diametro del nucleo multimodale della fibra riduce la non linearità della cavità e consente al sistema di raggiungere energie di impulso elevate senza amplificazione esterna. Però, per la sua natura multimodale, i laser ad alta potenza spaziotemporalmente bloccati in modalità soffrono di un raggio di uscita di bassa qualità.

Qualità del raggio monomodale tramite pulizia del raggio non lineare

I ricercatori dell'EPFL hanno dimostrato la pulizia del raggio non lineare in una cavità laser multimodale, una dimostrazione per la prima volta, che consente la generazione di energia ad alta energia, impulsi ultracorti con qualità del raggio monomodale. Il loro rapporto, pubblicato nella peer review, giornale ad accesso aperto Fotonica avanzata , mostra che le proprietà dell'impulso temporale intracavità ingegnerizzate consentono a un percorso di generare un raggio di alta qualità quando si ottiene il blocco della modalità.

Il loro design consente la generazione di impulsi di femtosecondi inferiori a 100 con elevata energia di impulso (> 20 nJ) e qualità del fascio di valore M2 (inferiore a 1,13 senza amplificazione esterna) in una forma compatta ed economica. Il team ha studiato le complesse dinamiche della cavità mediante simulazioni risolte in modalità e ha confermato la pulizia del fascio non lineare numericamente e sperimentalmente.

L'autore principale Ugur Tegin osserva che il lavoro del suo team presenta un nuovo modo per sfruttare e controllare le dinamiche non lineari spazio-temporali per la generazione di impulsi ultracorti. I risultati di questa ricerca mostrano che una buona qualità del raggio, alta energia di impulso, e la durata dell'impulso inferiore a 100 fs da un laser a fibra può essere costruita con componenti standard e disponibili in commercio. Il metodo riportato può essere esteso alle fibre con una dimensione del nucleo maggiore per un'ulteriore scala di potenza preservando la qualità del raggio degli impulsi sub-100 fs.