Les techniques de verrouillage de mode passif, représentées par le verrouillage de mode par lentille de Kerr (KLM) et par le verrouillage de mode par miroir à absorbeur saturable à semi-conducteur (SESAM), sont actuellement les moyens les plus courants d’obtenir des sorties laser à impulsions ultracourtes. Bien qu’il soit possible de s’affranchir de la limite de largeur de bande moyenne de gain (FWHM) sur la largeur d’impulsion en utilisant des miroirs de couplage de sortie à faible transmittance et un filtrage spectral, ces méthodes réduisent aussi considérablement la puissance de sortie de l’oscillateur. Une méthode de verrouillage en mode par lentille de Kerr en cascade a été inventée par une équipe de recherche conjointe composée du professeur Jinwei Zhang de l’Université des sciences et technologies de Huazhong, ainsi que du professeur Ferenc Krausz de l’Institut Max Planck d’optique quantique, du professeur Oleg Pronin de l’Université de la Bundeswehr à Hambourg et du professeur Zhiyi Wei de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences. En augmentant la profondeur de modulation de l’auto-amplitude dans un oscillateur laser à disque de haute puissance, l’effet Kerr est considérablement renforcé, ce qui permet d’obtenir un spectre à verrouillage de mode qui dépasse la limite de la largeur de bande moyenne de gain (FWHM) et une sortie laser à largeur d’impulsion plus courte avec une compensation de dispersion appropriée.
Parmi les nombreux supports de gain de disque, l’Yb:YAG est actuellement le support de disque le plus mature en raison de ses excellentes propriétés optiques et physiques. Selon l’équation complexe de Ginzburg-Landau pour les oscillations d’impulsions à verrouillage de mode, le carré de la largeur d’impulsion est inversement lié à la profondeur de modulation du dispositif à verrouillage de mode lorsque la lentille Kerr à verrouillage de mode est traitée comme un absorbeur saturable rapide et en supposant un motif de ligne de gain gaussien, de sorte que l’augmentation de la Par conséquent, l’augmentation de la profondeur de modulation du dispositif à verrouillage de mode peut entraîner des largeurs d’impulsion plus courtes à la sortie de l’oscillateur, même en brisant la limite de la largeur de bande spectrale (FWHM) sur la largeur d’impulsion. Cela peut être réalisé en utilisant une méthode de verrouillage de mode à lentille Kerr en cascade. Dans l’expérience, une puce de saphir est insérée à la position focale du système de télescope composé de deux miroirs concaves comme principal milieu de Kerr pour fournir l’effet d’autofocalisation requis pour le verrouillage de mode de la lentille de Kerr ainsi que la modulation d’auto-amplitude. Comme le montre la figure 1, l’ajout de plusieurs diélectriques Kerr supplémentaires dans le bras le plus petit de la taille du spot de la cavité résonnante et le réglage de la position de la zone stable du fonctionnement de la cavité résonnante de l’oscillateur plus près du bord de la zone stable permettent d’augmenter considérablement la profondeur de l’auto-modulation de l’amplitude et d’élargir considérablement la plage spectrale après le verrouillage du mode par lentille de Kerr. En fonction de la quantité de diélectrique Kerr ajoutée, il est possible d’obtenir des sorties laser pulsées avec des largeurs d’impulsion de 50fs à 200fs et des puissances moyennes de quelques watts à 50W. Le graphique de gauche de la figure 2 montre comment le spectre produit par l’oscillateur change lorsque le nombre de diélectriques Kerr en cascade augmente, montrant que le spectre devient plus large lorsque la profondeur de modulation augmente. Le graphique du milieu montre le spectre de sortie final comparé au spectre de gain de l’Yb:YAG. La sortie de l’oscillateur peut atteindre une largeur spectrale de 35 nm, soit plus de trois fois la largeur de bande de gain (FWHM) du cristal Yb:YAG. Le graphique de droite montre la largeur d’impulsion mesurée, qui a été mesurée par FROG à 47 fs.
