Pulserende laser med ultrahøj repetitionshastighed

Pulserende laser med ultrahøj repetitionshastighed

I den mikroskopiske verden af ​​interaktionen mellem lys og stof fungerer ultra-høj repetitionshastighed (UHRP'er) som præcise tidsregulatorer – de oscillerer mere end en milliard gange i sekundet (1 GHz), indfanger kræftcellers molekylære fingeraftryk i spektralbilleddannelse, bærer massive mængder data i optisk fiberkommunikation og kalibrerer bølgelængdekoordinaterne for stjerner i teleskoper. Især i springet af lidars detektionsdimension er terahertz ultra-høj repetitionshastighed pulserende lasere (100-300 GHz) ved at blive effektive værktøjer til at trænge ind i interferenslaget og omforme grænserne for tredimensionel opfattelse med den spatiotemporale manipulationskraft på fotonniveau. I øjeblikket er brugen af ​​kunstige mikrostrukturer, såsom mikro-ringhulrum, der kræver nanoskalabehandlingsnøjagtighed for at generere firebølgeblanding (FWM), en af ​​de vigtigste metoder til at opnå optiske pulser med ultra-høj repetitionshastighed. Forskere fokuserer på at løse de tekniske problemer i forbindelse med behandling af ultrafine strukturer, frekvensjusteringsproblemet under pulsinitiering og konverteringseffektivitetsproblemet efter pulsgenerering. En anden tilgang er at bruge meget ikke-lineære fibre og udnytte modulationsustabilitetseffekten eller FWM-effekten i laserhulrummet til at excitere UHRP'er. Indtil videre har vi stadig brug for en mere behændig "tidsformer".

Processen med at generere UHRP ved at injicere ultrahurtige pulser for at excitere den dissipative FWM-effekt beskrives som "ultrahurtig tænding". I modsætning til den ovennævnte kunstige mikroringhulrumsordning, der kræver kontinuerlig pumpning, præcis justering af afstemning for at kontrollere pulsgenerering og brug af meget ikke-lineære medier til at sænke FWM-tærsklen, er denne "antændelse" afhængig af spidseffektkarakteristikaene for ultrahurtige pulser for direkte at excitere FWM, og efter "antændelse fra" opnås selvopretholdende UHRP.

Figur 1 illustrerer den centrale mekanisme for at opnå puls-selvorganisering baseret på ultrahurtig frøpuls-excitation af dissipative fiberringhulrum. Den eksternt injicerede ultrakorte frøpuls (periode T0, repetitionsfrekvens F) fungerer som "tændingskilde" til at excitere et højeffektspulsfelt i dissipationshulen. Det intracellulære forstærkningsmodul arbejder i synergi med spektralformeren for at konvertere frøpulsenergien til et kamformet spektralrespons gennem fælles regulering i tidsfrekvensdomænet. Denne proces bryder med begrænsningerne ved traditionel kontinuerlig pumpning: frøpulsen slukker, når den når dissipations-FWM-tærsklen, og dissipationshulen opretholder pulsens selvorganiserende tilstand gennem den dynamiske balance mellem forstærkning og tab, hvor pulsrepetitionsfrekvensen er Fs (svarende til den intrinsiske frekvens FF og periode T for hulrummet).

Dette studie udførte også teoretisk verifikation. Baseret på de parametre, der blev anvendt i den eksperimentelle opsætning, og med en 1psultrahurtig pulslaserSom det indledende felt blev der udført numerisk simulering af udviklingsprocessen for pulsens tidsdomæne og frekvens i laserhulrummet. Det blev konstateret, at pulsen gennemgik tre faser: pulsopdeling, periodisk pulsoscillation og ensartet pulsfordeling i hele laserhulrummet. Dette numeriske resultat verificerer også fuldt ud de selvorganiserende egenskaber vedpulslaser.

Ved at udløse firebølge-blandingseffekten i det dissipative fiberringhulrum gennem ultrahurtig frøpulsantændelse blev den selvorganiserende generering og vedligeholdelse af ultrahøje repetitionsfrekvenspulser under THZ (stabilt output på 0,5 W effekt efter frøslukning) opnået, hvilket gav en ny type lyskilde til lidarfeltet: Dens refrekvens under THZ-niveau kan forbedre punktskyopløsningen til millimeterniveau. Den selvvedligeholdende pulsfunktion reducerer systemets energiforbrug betydeligt. Den fiberbelagte struktur sikrer høj stabilitet i 1,5 μm øjensikkerhedsbåndet. Fremadrettet forventes denne teknologi at drive udviklingen af ​​køretøjsmonterede lidarer mod miniaturisering (baseret på MZI-mikrofiltre) og langdistancedetektion (effektudvidelse til > 1 W) og yderligere tilpasse sig opfattelseskravene i komplekse miljøer gennem koordineret tænding med flere bølgelængder og intelligent regulering.