Pulserende laser med ultrahøy repetisjonsfrekvens

Pulserende laser med ultrahøy repetisjonsfrekvens

I den mikroskopiske verdenen av samspillet mellom lys og materie, fungerer ultrahøye repetisjonsfrekvenspulser (UHRP-er) som presise tidsregulatorer – de oscillerer mer enn en milliard ganger per sekund (1 GHz), og fanger opp molekylære fingeravtrykk av kreftceller i spektral avbildning, bærer enorme mengder data i optisk fiberkommunikasjon og kalibrerer bølgelengdekoordinatene til stjerner i teleskoper. Spesielt i spranget av deteksjonsdimensjonen til lidar, blir terahertz ultrahøye repetisjonsfrekvenspulserte lasere (100–300 GHz) kraftige verktøy for å trenge inn i interferenslaget, og omformer grensene for tredimensjonal persepsjon med den spatiotemporale manipulasjonskraften på fotonnivå. For tiden er bruk av kunstige mikrostrukturer, som mikroringhulrom som krever nanoskala prosesseringsnøyaktighet for å generere firebølgeblanding (FWM), en av hovedmetodene for å oppnå optiske pulser med ultrahøy repetisjonsfrekvens. Forskere fokuserer på å løse ingeniørproblemer i prosesseringen av ultrafine strukturer, frekvensjusteringsproblemet under pulsinitiering og konverteringseffektivitetsproblemet etter pulsgenerering. En annen tilnærming er å bruke svært ikke-lineære fibre og utnytte modulasjonsustabilitetseffekten eller FWM-effekten i laserhulrommet for å eksitere UHRP-er. Så langt trenger vi fortsatt en mer fingernem «tidsformer».

Prosessen med å generere UHRP ved å injisere ultrahurtige pulser for å eksitere den dissipative FWM-effekten beskrives som «ultrasursk tenning». I motsetning til det ovennevnte kunstige mikroringhulromsskjemaet som krever kontinuerlig pumping, presis justering av avstemming for å kontrollere pulsgenerering og bruk av svært ikke-lineære medier for å senke FWM-terskelen, er denne «tenningen» avhengig av toppeffektegenskapene til ultrahurtige pulser for å eksitere FWM direkte, og etter «tenning av» oppnås selvopprettholdende UHRP.

Figur 1 illustrerer kjernemekanismen for å oppnå pulsselvorganisering basert på ultrahurtig frøpulseksitasjon av dissipative fiberringhulrom. Den eksternt injiserte ultrakorte frøpulsen (periode T0, repetisjonsfrekvens F) fungerer som "tenningskilde" for å eksitere et høyeffektspulsfelt i dissipasjonshulrommet. Den intracellulære forsterkningsmodulen fungerer i synergi med spektralformeren for å konvertere frøpulsenergien til en kamformet spektralrespons gjennom felles regulering i tidsfrekvensdomenet. Denne prosessen bryter gjennom begrensningene ved tradisjonell kontinuerlig pumping: frøpulsen slår seg av når den når dissipasjons-FWM-terskelen, og dissipasjonshulrommet opprettholder pulsens selvorganiserende tilstand gjennom den dynamiske balansen mellom forsterkning og tap, med pulsrepetisjonsfrekvensen Fs (tilsvarer den iboende frekvensen FF og periode T for hulrommet).

Denne studien utførte også teoretisk verifisering. Basert på parametrene som ble brukt i det eksperimentelle oppsettet og med en 1psultrahurtig pulslaserSom det første feltet ble det utført numerisk simulering på utviklingsprosessen til pulsens tidsdomene og frekvens i laserhulrommet. Det ble funnet at pulsen gikk gjennom tre stadier: pulsdeling, periodisk pulsoscillasjon og jevn pulsfordeling gjennom hele laserhulrommet. Dette numeriske resultatet verifiserer også fullt ut de selvorganiserende egenskapene tilpulslaser.

Ved å utløse firebølgeblandingseffekten i det dissipative fiberringhulrommet gjennom ultrahurtig frøpulsantennelse, ble den selvorganiserende genereringen og vedlikeholdet av pulser med ultrahøy repetisjonsfrekvens under THZ (stabil utgang på 0,5 W effekt etter at frøet er slått av) oppnådd. Dette gir en ny type lyskilde for lidarfeltet: Refrekvensen under THZ-nivået kan forbedre punktskyoppløsningen til millimeternivå. Den selvopprettholdende pulsfunksjonen reduserer systemets energiforbruk betydelig. Helfiberstrukturen sikrer høy stabilitet i 1,5 μm øyesikkerhetsbånd. I fremtiden forventes denne teknologien å drive utviklingen av kjøretøymonterte lidarer mot miniatyrisering (basert på MZI-mikrofiltre) og langdistansedeteksjon (effektutvidelse til > 1 W), og ytterligere tilpasse seg persepsjonskravene i komplekse miljøer gjennom koordinert tenning med flere bølgelengder og intelligent regulering.