Lasrar har många användningsområden som ljuskälla inom en rad olika områden, bland annat tillverkning, medicin, höghastighetskommunikation, elektronik och vetenskaplig forskning.
Under de senaste åren har efterfrågan på lasrar med ökad kontroll över effekten ökat betydligt. Särskilt ultranära bandbredds modlåsta lasrar, som kan producera extremt korta laserpulser (korta ljusimpulser) i storleksordningen pikosekunder till nanosekunder, har fått stor uppmärksamhet. Sådana korta laserpulser är extremt fördelaktiga för många tillämpningar – från diamantslipning till tillverkning av halvledare. Dessa tillämpningar kan dock förbättras ytterligare genom att man använder lasrar med justerbar pulsvaraktighet.
En laser fungerar genom att reflektera ljus fram och tillbaka mellan en högreflekterande och en selektivt reflekterande spegel inuti ett hålrum och sedan förstärka det med hjälp av ett material som kallas förstärkningsmedium. Konventionella kontinuerliga våglaser avger en kontinuerlig stråle av ljusvågor (lägen) med olika våglängder och slumpmässiga faser.
Modlåsta lasrar låser däremot faserna hos de olika lägena och använder ett material som kallas mättbar absorber (SA) för att producera en ström av extremt korta, kraftfulla ljuspulser. Speglarna i dessa lasrar, även kända som filter, styr bandbredden – och därmed antalet lägen i laserutgången – vilket direkt påverkar pulsvaraktigheten (varaktigheten för laserstrålningen).
För närvarande hindras praktiska tillämpningar av modlåsta lasrar av smalbandiga filter som vanligtvis har en fast bandbredd för en fast pulsbredd som inte kan moduleras.
I en ny studie publicerad i Advanced Photonics Nexus har forskare presenterat en innovativ modlåst laser med ultranarrow bandbredd och en inställbar pulsbandbredd.
”Vi har framgångsrikt utvecklat en modlåst laser med ultranöd bandbredd och en bredt inställbar pulsvaraktighet med hjälp av en ny filtreringsmekanism och en enkelväggig kolnanorörs-SA”, förklarar Weixi Li, en av huvudförfattarna.
Forskarna valde enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) som SA på grund av deras ultrasnabba återhämtningstid (i femtosekundområdet), kostnadseffektiva tillverkning och förmåga att generera en stabil pulsvaraktighet i femtosekund- till pikosekundområdet. Dessutom använde de en unik filterkonfiguration, där de två filtren – tillverkade av fiber-Bragg-gitter, en typ av selektiv reflektor – har en extremt smal överlappning mellan de våglängdsområden som de kan reflektera, vilket skapar en ultranarrow bandbredd.
För att uppnå en inställbar pulsbredd integrerade forskarna en mekanism för att applicera mekanisk spänning på ett av gitterna. Genom att ändra den applicerade spänningen ändrade de intervallet för reflekterade våglängder, vilket i sin tur ändrade överlappningen mellan filtren. Detta ändrade antalet lägen, vilket gjorde det möjligt att styra pulsbredden. Genom denna strategi uppnådde de ett brett inställningsområde från 481 pikosekunder till 1,38 nanosekunder.
Detta inställningsområde på nästan 1 nanosekund är det största som någonsin rapporterats för en passiv modlåst laser med smal bandbredd. Om belastningen dessutom appliceras på båda filtren kan inställningsområdet breddas ytterligare, vilket resulterar i ännu kortare pulsbredder.
Lasern har också en lång kavitetsstruktur, vilket bidrar till lägre strömförbrukning och en repetitionsfrekvens på mindre än en megahertz, vilket gör den lämplig för ett brett spektrum av applikationer. Numeriska simuleringar stödjer de experimentella resultaten.
”Vi har inte bara utformat ett enkelt, flexibelt och inställbart system för smalbandiga modlåsta lasrar, utan har också utvecklat en idealisk ljuskälla med robust uteffekt för viktiga områden som skärning av enkristallina diamanter och laserskjuvning av halvledarplattor”, säger huvudforskaren, professor Chengbo Mou från Shanghai University.
Detta genombrott är ett viktigt steg framåt inom lasertekniken och banar väg för nya och mångsidiga tillämpningar.
Mer information: Weixi Li et al, Pulse duration tunable ultra-narrow bandwidth mode-locked lasers, Advanced Photonics Nexus (2025). DOI: 10.1117/1.APN.4.3.036016
