Laser impulsowy o bardzo wysokiej częstotliwości powtarzania
W mikroskopijnym świecie interakcji między światłem a materią, impulsy o ultrawysokiej częstotliwości powtarzania (UHRP) działają jak precyzyjni władcy czasu – oscylują z częstotliwością ponad miliard razy na sekundę (1 GHz), rejestrując molekularne odciski palców komórek nowotworowych w obrazowaniu spektralnym, przenosząc ogromne ilości danych w komunikacji światłowodowej i kalibrując współrzędne długości fal gwiazd w teleskopach. Zwłaszcza w skoku wymiaru detekcji lidaru, terahercowe lasery impulsowe o ultrawysokiej częstotliwości powtarzania (100–300 GHz) stają się potężnymi narzędziami do penetracji warstwy interferencyjnej, zmieniając granice percepcji trójwymiarowej dzięki możliwości manipulacji czasoprzestrzennej na poziomie fotonów. Obecnie wykorzystanie sztucznych mikrostruktur, takich jak mikrownęki pierścieniowe, które wymagają dokładności przetwarzania w skali nano do generowania mieszania czterofalowego (FWM), jest jedną z głównych metod uzyskiwania impulsów optycznych o ultrawysokiej częstotliwości powtarzania. Naukowcy koncentrują się na rozwiązywaniu problemów inżynieryjnych związanych z przetwarzaniem ultracienkich struktur, problemem dostrajania częstotliwości podczas inicjacji impulsu oraz problemem wydajności konwersji po wygenerowaniu impulsu. Innym podejściem jest zastosowanie wysoce nieliniowych włókien i wykorzystanie efektu niestabilności modulacji (FWM) w rezonatorze lasera do wzbudzenia UHRP. Jak dotąd, wciąż potrzebujemy bardziej zręcznego „kształtatora czasu”.
Proces generowania UHRP poprzez wstrzykiwanie ultraszybkich impulsów w celu wzbudzenia rozpraszającego efektu FWM jest określany jako „ultraszybki zapłon”. W przeciwieństwie do wspomnianego powyżej schematu sztucznej wnęki mikropierścieniowej, który wymaga ciągłego pompowania, precyzyjnej regulacji odstrojenia w celu kontrolowania generowania impulsów oraz zastosowania wysoce nieliniowych mediów w celu obniżenia progu FWM, ten „zapłon” opiera się na charakterystyce mocy szczytowej ultraszybkich impulsów, aby bezpośrednio wzbudzić FWM, a po „wyłączeniu zapłonu” osiągnąć samowystarczalny UHRP.
Rysunek 1 ilustruje podstawowy mechanizm samoorganizacji impulsów oparty na ultraszybkim wzbudzeniu impulsem zarodkowym wnęk pierścieniowych włókien rozpraszających. Wstrzyknięty zewnętrznie ultrakrótki impuls zarodkowy (okres T0, częstotliwość powtarzania F) służy jako „źródło zapłonu” do wzbudzenia pola impulsów o dużej mocy w wnęce rozpraszającej. Moduł wzmocnienia wewnątrzkomórkowego działa w synergii z kształtownikiem widmowym, przekształcając energię impulsu zarodkowego w odpowiedź widmową w kształcie grzebienia poprzez wspólną regulację w dziedzinie czasu i częstotliwości. Ten proces przełamuje ograniczenia tradycyjnego ciągłego pompowania: impuls zarodkowy wyłącza się po osiągnięciu progu rozpraszania FWM, a wnęka rozpraszająca utrzymuje stan samoorganizacji impulsu poprzez dynamiczną równowagę wzmocnienia i strat, przy czym częstotliwość powtarzania impulsów wynosi Fs (odpowiadającą częstotliwości wewnętrznej FF i okresowi T wnęki).
W badaniu tym przeprowadzono również weryfikację teoretyczną. Na podstawie parametrów przyjętych w układzie eksperymentalnym i przy 1psultraszybki laser impulsowyJako pole początkowe przeprowadzono symulację numeryczną procesu ewolucji domeny czasowej i częstotliwości impulsu w komorze laserowej. Stwierdzono, że impuls przechodził przez trzy etapy: rozszczepienie impulsu, okresową oscylację impulsu oraz równomierny rozkład impulsu w całej komorze laserowej. Ten wynik numeryczny w pełni potwierdza również samoorganizujące się właściwościlaser pulsacyjny.
Poprzez wyzwolenie efektu mieszania czterech fal w rozpraszającej wnęce pierścienia światłowodowego poprzez ultraszybki zapłon impulsu zarodkowego, udało się pomyślnie osiągnąć samoorganizującą się generację i utrzymanie impulsów o ultrawysokiej częstotliwości powtarzania sub-THZ (stabilna moc wyjściowa 0,5 W po wyłączeniu zarodka), zapewniając nowy typ źródła światła dla pola lidarowego: częstotliwość refrakcyjna poziomu sub-THZ może zwiększyć rozdzielczość chmury punktów do poziomu milimetra. Funkcja samopodtrzymywania impulsu znacznie zmniejsza zużycie energii przez system. Całkowicie światłowodowa struktura zapewnia wysoką stabilność pracy w paśmie bezpieczeństwa dla oczu 1,5 μm. Patrząc w przyszłość, oczekuje się, że technologia ta będzie napędzać ewolucję lidarów montowanych w pojazdach w kierunku miniaturyzacji (w oparciu o mikrofiltry MZI) i detekcji dalekiego zasięgu (rozszerzenie mocy do > 1 W), a także dalej dostosowywać się do wymagań percepcyjnych złożonych środowisk poprzez skoordynowany zapłon wielodługościowy i inteligentną regulację.
Czas publikacji: 08-07-2025