Παλμικό λέιζερ εξαιρετικά υψηλού ρυθμού επανάληψης

Παλμικό λέιζερ εξαιρετικά υψηλού ρυθμού επανάληψης

Στον μικροσκοπικό κόσμο της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης, οι παλμοί εξαιρετικά υψηλού ρυθμού επανάληψης (UHRP) λειτουργούν ως ακριβείς κανόνες χρόνου - ταλαντώνονται περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο φορές ανά δευτερόλεπτο (1GHz), καταγράφοντας τα μοριακά αποτυπώματα των καρκινικών κυττάρων σε φασματική απεικόνιση, μεταφέροντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε επικοινωνία οπτικών ινών και βαθμονομώντας τις συντεταγμένες μήκους κύματος των αστεριών σε τηλεσκόπια. Ειδικά στο άλμα της διάστασης ανίχνευσης του lidar, τα παλμικά λέιζερ εξαιρετικά υψηλού ρυθμού επανάληψης terahertz (100-300 GHz) γίνονται ισχυρά εργαλεία για να διεισδύσουν στο στρώμα συμβολής, αναδιαμορφώνοντας τα όρια της τρισδιάστατης αντίληψης με τη χωροχρονική δύναμη χειρισμού σε επίπεδο φωτονίων. Προς το παρόν, η χρήση τεχνητών μικροδομών, όπως κοιλότητες μικροδακτυλίων που απαιτούν ακρίβεια επεξεργασίας νανοκλίμακας για τη δημιουργία ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων (FWM), είναι μια από τις κύριες μεθόδους για την απόκτηση οπτικών παλμών εξαιρετικά υψηλού ρυθμού επανάληψης. Οι επιστήμονες επικεντρώνονται στην επίλυση των μηχανικών προβλημάτων στην επεξεργασία εξαιρετικά λεπτών δομών, στο πρόβλημα ρύθμισης συχνότητας κατά την έναρξη παλμού και στο πρόβλημα απόδοσης μετατροπής μετά την παραγωγή παλμού. Μια άλλη προσέγγιση είναι η χρήση ινών με υψηλή μη γραμμικότητα και η αξιοποίηση του φαινομένου αστάθειας διαμόρφωσης ή φαινομένου FWM εντός της κοιλότητας του λέιζερ για την διέγερση των UHRP. Μέχρι στιγμής, χρειαζόμαστε ακόμη έναν πιο επιδέξιο «διαμορφωτή χρόνου».

Η διαδικασία παραγωγής UHRP με την έγχυση υπερταχέων παλμών για την διέγερση του φαινομένου διάχυσης FWM περιγράφεται ως «υπερταχεία ανάφλεξη». Σε αντίθεση με το προαναφερθέν σχήμα τεχνητής κοιλότητας μικροδακτυλίου που απαιτεί συνεχή άντληση, ακριβή ρύθμιση της αποσυντονισμού για τον έλεγχο της παραγωγής παλμών και χρήση εξαιρετικά μη γραμμικών μέσων για τη μείωση του κατωφλίου FWM, αυτή η «ανάφλεξη» βασίζεται στα χαρακτηριστικά μέγιστης ισχύος των υπερταχέων παλμών για την άμεση διέγερση του FWM και, μετά την «απενεργοποίηση της ανάφλεξης», επιτυγχάνει αυτοσυντηρούμενη UHRP.

Το Σχήμα 1 απεικονίζει τον βασικό μηχανισμό επίτευξης αυτοοργάνωσης παλμών με βάση την υπερταχεία διέγερση παλμών σπόρων σε κοιλότητες δακτυλίων διασποράς ινών. Ο εξωτερικά εγχυόμενος υπερβραχύς παλμός σπόρων (περίοδος T0, συχνότητα επανάληψης F) χρησιμεύει ως «πηγή ανάφλεξης» για την διέγερση ενός πεδίου παλμών υψηλής ισχύος εντός της κοιλότητας διασποράς. Η ενδοκυτταρική μονάδα κέρδους λειτουργεί σε συνέργεια με τον φασματικό διαμορφωτή για να μετατρέψει την ενέργεια του παλμού σπόρων σε μια φασματική απόκριση σε σχήμα χτένας μέσω κοινής ρύθμισης στον τομέα χρόνου-συχνότητας. Αυτή η διαδικασία σπάει τους περιορισμούς της παραδοσιακής συνεχούς άντλησης: ο παλμός σπόρων διακόπτεται όταν φτάσει στο όριο διασποράς FWM και η κοιλότητα διασποράς διατηρεί την αυτοοργανωμένη κατάσταση του παλμού μέσω της δυναμικής ισορροπίας κέρδους και απώλειας, με τη συχνότητα επανάληψης παλμών να είναι Fs (που αντιστοιχεί στην εγγενή συχνότητα FF και την περίοδο T της κοιλότητας).

Αυτή η μελέτη διεξήγαγε επίσης θεωρητική επαλήθευση. Με βάση τις παραμέτρους που υιοθετήθηκαν στην πειραματική διάταξη και με 1psυπερταχύ παλμικό λέιζερως αρχικό πεδίο, πραγματοποιήθηκε αριθμητική προσομοίωση της διαδικασίας εξέλιξης του χρονικού πεδίου και της συχνότητας του παλμού εντός της κοιλότητας του λέιζερ. Διαπιστώθηκε ότι ο παλμός πέρασε από τρία στάδια: διάσπαση παλμού, περιοδική ταλάντωση παλμού και ομοιόμορφη κατανομή παλμού σε ολόκληρη την κοιλότητα του λέιζερ. Αυτό το αριθμητικό αποτέλεσμα επαληθεύει επίσης πλήρως τα αυτοοργανούμενα χαρακτηριστικά τουπαλμικό λέιζερ.

Ενεργοποιώντας το φαινόμενο ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων εντός της κοιλότητας του δακτυλίου διαχυτικών ινών μέσω εξαιρετικά γρήγορης ανάφλεξης παλμών σπόρων, επιτεύχθηκε με επιτυχία η αυτοοργανωμένη παραγωγή και συντήρηση παλμών εξαιρετικά υψηλής συχνότητας επανάληψης υπο-THZ (σταθερή έξοδος ισχύος 0,5W μετά την απενεργοποίηση της σπόρων), παρέχοντας έναν νέο τύπο πηγής φωτός για το πεδίο lidar: Η επανασυχνότητά της σε επίπεδο υπο-THZ μπορεί να βελτιώσει την ανάλυση του νέφους σημείων στο επίπεδο του χιλιοστού. Η λειτουργία αυτοσυντήρησης παλμών μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας του συστήματος. Η δομή εξ ολοκλήρου από ίνες εξασφαλίζει λειτουργία υψηλής σταθερότητας στη ζώνη ασφαλείας των ματιών των 1,5 μm. Κοιτάζοντας προς το μέλλον, αυτή η τεχνολογία αναμένεται να οδηγήσει την εξέλιξη του lidar που τοποθετείται σε οχήματα προς τη σμίκρυνση (βασισμένη σε μικροφίλτρα MZI) και την ανίχνευση μεγάλης εμβέλειας (επέκταση ισχύος σε > 1W), και να προσαρμοστεί περαιτέρω στις απαιτήσεις αντίληψης σύνθετων περιβαλλόντων μέσω συντονισμένης ανάφλεξης πολλαπλών μηκών κύματος και έξυπνης ρύθμισης.