Pulserad laser med ultrahög repetitionsfrekvens

Pulserad laser med ultrahög repetitionsfrekvens

I den mikroskopiska världen av interaktionen mellan ljus och materia fungerar ultrahögrepetitionsfrekvenspulser (UHRP) som exakta tidsreglerare – de oscillerar mer än en miljard gånger per sekund (1 GHz), fångar molekylära fingeravtryck från cancerceller i spektral avbildning, bär massiva mängder data i optisk fiberkommunikation och kalibrerar våglängdskoordinaterna för stjärnor i teleskop. Speciellt i språnget av detektionsdimensionen hos lidar blir terahertz-ultrahögrepetitionsfrekvenspulserade lasrar (100-300 GHz) kraftfulla verktyg för att penetrera interferensskiktet och omforma gränserna för tredimensionell perception med den spatiotemporala manipulationskraften på fotonnivå. För närvarande är användningen av artificiella mikrostrukturer, såsom mikroringhåligheter som kräver nanoskalig bearbetningsnoggrannhet för att generera fyrvågsblandning (FWM), en av de viktigaste metoderna för att erhålla optiska pulser med ultrahög repetitionsfrekvens. Forskare fokuserar på att lösa de tekniska problemen vid bearbetning av ultrafina strukturer, frekvensjusteringsproblemet under pulsinitiering och omvandlingseffektivitetsproblemet efter pulsgenerering. Ett annat tillvägagångssätt är att använda mycket olinjära fibrer och utnyttja modulationsinstabilitetseffekten eller FWM-effekten i laserkaviteten för att excitera UHRP:er. Hittills behöver vi fortfarande en mer skicklig "tidsformare".

Processen att generera UHRP genom att injicera ultrasnabba pulser för att excitera den dissipativa FWM-effekten beskrivs som "ultrasnabb antändning". Till skillnad från det ovan nämnda artificiella mikroringkavitetsschemat som kräver kontinuerlig pumpning, exakt justering av avstämning för att kontrollera pulsgenerering och användning av mycket olinjära medier för att sänka FWM-tröskeln, förlitar sig denna "antändning" på toppeffektegenskaperna hos ultrasnabba pulser för att direkt excitera FWM, och efter "tändning avstängd" uppnå självupprätthållande UHRP.

Figur 1 illustrerar kärnmekanismen för att uppnå pulssjälvorganisering baserat på ultrasnabb fröpulsexcitation av dissipativa fiberringkaviteter. Den externt injicerade ultrakorta fröpulsen (period T0, repetitionsfrekvens F) fungerar som "tändkälla" för att excitera ett högeffektspulsfält i dissipationskaviteten. Den intracellulära förstärkningsmodulen arbetar i synergi med spektralformaren för att omvandla fröpulsenergin till ett kamformat spektralsvar genom gemensam reglering i tidsfrekvensdomänen. Denna process bryter igenom begränsningarna hos traditionell kontinuerlig pumpning: fröpulsen stängs av när den når tröskelvärdet för dissipations-FWM, och dissipationskaviteten bibehåller pulsens självorganiserande tillstånd genom den dynamiska balansen mellan förstärkning och förlust, med pulsrepetitionsfrekvensen Fs (motsvarande den inneboende frekvensen FF och period T för kaviteten).

Denna studie utförde även teoretisk verifiering. Baserat på de parametrar som användes i den experimentella uppställningen och med en 1psultrasnabb pulslaserSom initialt fält utfördes numerisk simulering av utvecklingsprocessen för pulsens tidsdomän och frekvens inom laserkaviteten. Det konstaterades att pulsen genomgick tre steg: pulsdelning, periodisk pulsoscillation och pulsens likformiga fördelning genom hela laserkaviteten. Detta numeriska resultat verifierar också fullständigt de självorganiserande egenskaperna hospulslaser.

Genom att utlösa fyrvågsblandningseffekten i den dissipativa fiberringkaviteten genom ultrasnabb fröpulsantändning uppnåddes framgångsrikt självorganiserande generering och upprätthållande av pulser med ultrahög repetitionsfrekvens under THO (stabil uteffekt på 0,5 W efter att fröet stängts av), vilket gav en ny typ av ljuskälla för lidarfältet: Dess refrekvens under THO-nivå kan förbättra punktmolnsupplösningen till millimeternivå. Den självupprätthållande pulsfunktionen minskar systemets energiförbrukning avsevärt. Helfiberstrukturen säkerställer hög stabilitet i 1,5 μm ögonsäkerhetsband. Framöver förväntas denna teknik driva utvecklingen av fordonsmonterade lidarer mot miniatyrisering (baserat på MZI-mikrofilter) och långdistansdetektering (effektutbyggnad till > 1 W), och ytterligare anpassa sig till perceptionskraven i komplexa miljöer genom flervåglängdskoordinerad tändning och intelligent reglering.