Impulzni laser z izjemno visoko hitrostjo ponavljanja

Impulzni laser z izjemno visoko hitrostjo ponavljanja

V mikroskopskem svetu interakcije med svetlobo in snovjo delujejo impulzi z ultra visoko hitrostjo ponavljanja (UHRP) kot natančni merilniki časa – nihajo več kot milijardokrat na sekundo (1 GHz), pri čemer zajamejo molekularne prstne odtise rakavih celic v spektralnem slikanju, prenašajo ogromne količine podatkov v optični komunikaciji in kalibrirajo valovne koordinate zvezd v teleskopih. Še posebej pri preskoku detekcijske dimenzije lidarja postajajo teraherčni impulzni laserji z ultra visoko hitrostjo ponavljanja (100–300 GHz) močna orodja za prodiranje skozi interferenčno plast, ki preoblikujejo meje tridimenzionalnega zaznavanja s prostorsko-časovno manipulacijsko močjo na ravni fotonov. Trenutno je uporaba umetnih mikrostruktur, kot so mikro obročne votline, ki zahtevajo nanometrsko natančnost obdelave za ustvarjanje štirivalovnega mešanja (FWM), ena glavnih metod za pridobivanje optičnih impulzov z ultra visoko hitrostjo ponavljanja. Znanstveniki se osredotočajo na reševanje inženirskih problemov pri obdelavi ultrafinih struktur, problem uglaševanja frekvence med sprožitvijo impulza in problem učinkovitosti pretvorbe po generiranju impulza. Drug pristop je uporaba zelo nelinearnih vlaken in izkoriščanje učinka modulacijske nestabilnosti ali učinka FWM znotraj laserske votline za vzbujanje UHRP. Zaenkrat še vedno potrebujemo spretnejši "oblikovalnik časa".

Postopek ustvarjanja UHRP z vbrizgavanjem ultrahitrih impulzov za vzbujanje disipativnega učinka FWM je opisan kot »ultrahiter vžig«. Za razliko od zgoraj omenjene sheme umetne mikroobročne votline, ki zahteva neprekinjeno črpanje, natančno nastavitev razločevanja za nadzor ustvarjanja impulzov in uporabo zelo nelinearnih medijev za znižanje praga FWM, se ta »vžig« zanaša na značilnosti vršne moči ultrahitrih impulzov za neposredno vzbujanje FWM in po »izklopu vžiga« doseže samovzdržni UHRP.

Slika 1 prikazuje osrednji mehanizem doseganja samoorganizacije impulzov, ki temelji na vzbujanju disipativnih votlin z vlaknastimi obroči z ultrahitrim semenskim impulzom. Zunanje vbrizgan ultrakratek semenski impulz (perioda T0, frekvenca ponavljanja F) služi kot "vir vžiga" za vzbujanje visokozmogljivega impulznega polja znotraj disipativne votline. Znotrajcelični modul za ojačanje deluje v sinergiji s spektralnim oblikovalnikom, da pretvori energijo semenskega impulza v glavnik oblikovan spektralni odziv s skupno regulacijo v časovno-frekvenčni domeni. Ta proces prebija omejitve tradicionalnega neprekinjenega črpanja: semenski impulz se izklopi, ko doseže prag disipacije FWM, disipativna votlina pa ohranja samoorganizirajoče stanje impulza z dinamičnim ravnovesjem ojačanja in izgube, pri čemer je frekvenca ponavljanja impulzov Fs (kar ustreza intrinzični frekvenci FF in periodi T votline).

V tej študiji je bila izvedena tudi teoretična potrditev. Na podlagi parametrov, uporabljenih v eksperimentalni nastavitvi, in z 1 psultrahitri impulzni laserKot začetno polje je bila izvedena numerična simulacija procesa evolucije časovne domene in frekvence impulza znotraj laserske votline. Ugotovljeno je bilo, da je impulz prešel skozi tri faze: delitev impulza, periodično nihanje impulza in enakomerna porazdelitev impulza po celotni laserski votlini. Ta numerični rezultat v celoti potrjuje tudi samoorganizirajoče se značilnostipulzni laser.

Z vžigom štirivalovnega mešalnega učinka znotraj disipativne votline vlaken z ultrahitrim vžigom semenskega impulza je bilo uspešno doseženo samoorganizirajoče se generiranje in vzdrževanje impulzov z ultra visoko frekvenco ponavljanja pod THz (stabilna izhodna moč 0,5 W po izklopu semena), kar zagotavlja novo vrsto svetlobnega vira za lidarsko polje: njegova ponovna frekvenca pod THz lahko izboljša ločljivost oblaka točk do milimetrske ravni. Funkcija samovzdrževanja impulzov znatno zmanjša porabo energije sistema. Struktura iz vseh vlaken zagotavlja visoko stabilnost delovanja v varnostnem pasu za oko 1,5 μm. V prihodnosti naj bi ta tehnologija spodbudila razvoj lidarjev, nameščenih na vozilih, k miniaturizaciji (na podlagi mikrofiltrov MZI) in zaznavanju na dolge razdalje (razširitev moči na > 1 W) ter se dodatno prilagodila zahtevam zaznavanja kompleksnih okolij z vžigom, usklajenim z več valovnimi dolžinami, in inteligentno regulacijo.