Erittäin korkean toistotaajuuden pulssilaser

Erittäin korkean toistotaajuuden pulssilaser

Valon ja aineen välisen vuorovaikutuksen mikroskooppisessa maailmassa erittäin korkean toistotaajuuden pulssit (UHRP) toimivat tarkkoina ajan mittaajina – ne värähtelevät yli miljardi kertaa sekunnissa (1 GHz), tallentaen syöpäsolujen molekyylisormenjälkiä spektrikuvantamisessa, kuljettaen valtavia määriä dataa optisessa kuituviestinnässä ja kalibroiden tähtien aallonpituuskoordinaatteja teleskoopeissa. Erityisesti lidarin havaitsemisulottuvuuden harppauksessa terahertsin erittäin korkean toistotaajuuden pulssilaserit (100–300 GHz) ovat tulossa tehokkaiksi työkaluiksi interferenssikerroksen läpäisemiseen, muokkaamalla kolmiulotteisen havainnon rajoja fotonitason spatiaalisella ja ajallisella manipulointiteholla. Tällä hetkellä keinotekoisten mikrorakenteiden, kuten mikrorengasonteloiden, käyttö, jotka vaativat nanoskaalan prosessointitarkkuutta neliaaltosekoituksen (FWM) tuottamiseksi, on yksi tärkeimmistä menetelmistä erittäin korkean toistotaajuuden optisten pulssien saamiseksi. Tutkijat keskittyvät ratkaisemaan erittäin hienojen rakenteiden prosessoinnin teknisiä ongelmia, taajuuden viritysongelmaa pulssin aloituksen aikana ja muunnostehokkuusongelmaa pulssin generoinnin jälkeen. Toinen lähestymistapa on käyttää erittäin epälineaarisia kuituja ja hyödyntää laserontelon modulaation epävakausilmiötä tai FWM-ilmiötä UHRP-hiukkasten virittämiseksi. Toistaiseksi tarvitsemme vielä taitavampaa "ajanmuokkaajaa".

Ultranopeaa sytyttämistä (UHRP) kutsutaan ultranopeiden pulssien ruiskuttamisen prosessiksi dissipatiivisen FWM-ilmiön virittämiseksi. Prosessia, jossa UHRP tuotetaan injektoimalla ultranopeita pulsseja dissipatiivisen FWM-ilmiön virittämiseksi, kuvataan "ultranopeaksi sytytykseksi". Toisin kuin edellä mainittu keinotekoinen mikrorengasontelojärjestelmä, joka vaatii jatkuvaa pumppausta, epävirityksen tarkkaa säätöä pulssien generoinnin ohjaamiseksi ja erittäin epälineaarisen väliaineen käyttöä FWM-kynnyksen alentamiseksi, tämä "sytytys" perustuu ultranopeiden pulssien huipputeho-ominaisuuksiin FWM:n virittämiseksi suoraan ja "sytytyksen pois päältä" saavuttaakseen itsestään ylläpitävän UHRP:n.

Kuva 1 havainnollistaa pulssin itseorganisoitumisen ydinmekanismia, joka perustuu dissipatiivisten kuiturengasonteloiden ultranopean siemenpulssin herätteeseen. Ulkoisesti injektoitu ultralyhyt siemenpulssi (jakso T0, toistotaajuus F) toimii "sytytyslähteenä", joka virittää suuren tehon pulssikentän dissipatiivisessa ontelossa. Solunsisäinen vahvistusmoduuli toimii synergiassa spektrinmuokkaimen kanssa muuntaakseen siemenpulssin energian kampamaiseksi spektrivasteeksi aika-taajuusalueen yhteissäädön avulla. Tämä prosessi rikkoo perinteisen jatkuvan pumppauksen rajoitukset: siemenpulssi sammuu, kun se saavuttaa dissipatiivisen FWM-kynnyksen, ja dissipatiivisessa ontelossa ylläpidetään pulssin itseorganisoituvaa tilaa vahvistuksen ja häviön dynaamisen tasapainon avulla, pulssin toistotaajuuden ollessa Fs (vastaa ontelon ominaistaajuutta FF ja jaksoa T).

Tässä tutkimuksessa suoritettiin myös teoreettinen verifiointi. Kokeellisessa asetelmassa käytettyjen parametrien ja 1 ps:n tehon perusteellaultranopea pulssilaserLähtökenttänä suoritettiin numeerinen simulointi pulssin aikatason ja taajuuden kehitysprosessille laserontelossa. Havaittiin, että pulssi kävi läpi kolme vaihetta: pulssin jakautuminen, pulssin jaksollinen värähtely ja pulssin tasainen jakautuminen koko laseronteloon. Tämä numeerinen tulos vahvistaa myös täysin pulssin itseorganisoitumisominaisuudet.pulssilaser.

Laukaisemalla neliaaltoinen sekoitusvaikutus dissipatiivisen kuiturenkaan ontelossa ultranopealla siemenpulssien sytytyksellä saavutettiin onnistuneesti itseorganisoituva alle THZ:n erittäin korkean toistotaajuuden pulssien generointi ja ylläpito (vakaa 0,5 W:n teho siementen sammuttamisen jälkeen), mikä tarjosi uudenlaisen valonlähteen lidar-kenttään: Sen alle THZ:n tason uudelleentaajuus voi parantaa pistepilven resoluutiota millimetritasolle. Pulssien itseään ylläpitävä ominaisuus vähentää merkittävästi järjestelmän energiankulutusta. Kokokuituinen rakenne varmistaa erittäin vakaan toiminnan 1,5 μm:n silmän turvallisuuskaistalla. Tulevaisuudessa tämän teknologian odotetaan edistävän ajoneuvoihin asennettujen lidarien kehitystä kohti miniatyrisointia (MZI-mikrosuodattimien pohjalta) ja pitkän kantaman havaitsemista (tehon laajennus yli 1 W:iin) sekä mukautuvan edelleen monimutkaisten ympäristöjen havaintovaatimuksiin usean aallonpituuden koordinoidun sytytyksen ja älykkään säätelyn avulla.