لیزر پالسی با نرخ تکرار فوق العاده بالا

لیزر پالسی با نرخ تکرار فوق العاده بالا

در دنیای میکروسکوپیِ برهمکنش بین نور و ماده، پالس‌های با نرخ تکرار فوق‌العاده بالا (UHRP) به عنوان حاکمان دقیق زمان عمل می‌کنند - آنها با سرعت بیش از یک میلیارد بار در ثانیه (1 گیگاهرتز) نوسان می‌کنند، اثر انگشت مولکولی سلول‌های سرطانی را در تصویربرداری طیفی ثبت می‌کنند، حجم عظیمی از داده‌ها را در ارتباطات فیبر نوری حمل می‌کنند و مختصات طول موج ستارگان را در تلسکوپ‌ها کالیبره می‌کنند. به ویژه در جهش بُعد تشخیص لیدار، لیزرهای پالسی با نرخ تکرار فوق‌العاده بالای تراهرتز (100-300 گیگاهرتز) به ابزارهای قدرتمندی برای نفوذ به لایه تداخل تبدیل می‌شوند و مرزهای ادراک سه‌بعدی را با قدرت دستکاری فضایی-زمانی در سطح فوتون تغییر شکل می‌دهند. در حال حاضر، استفاده از ریزساختارهای مصنوعی، مانند حفره‌های ریزحلقه‌ای که برای تولید اختلاط چهار موج (FWM) به دقت پردازش در مقیاس نانو نیاز دارند، یکی از روش‌های اصلی برای دستیابی به پالس‌های نوری با نرخ تکرار فوق‌العاده بالا است. دانشمندان بر حل مشکلات مهندسی در پردازش ساختارهای فوق‌العاده ریز، مشکل تنظیم فرکانس در هنگام شروع پالس و مشکل راندمان تبدیل پس از تولید پالس تمرکز دارند. رویکرد دیگر، استفاده از فیبرهای بسیار غیرخطی و بهره‌گیری از اثر ناپایداری مدولاسیون یا اثر FWM در حفره لیزر برای تحریک UHRPها است. تاکنون، ما هنوز به یک «شکل‌دهنده زمان» ماهرتر نیاز داریم.

فرآیند تولید UHRP با تزریق پالس‌های فوق سریع برای تحریک اثر FWM اتلافی، به عنوان "اشتعال فوق سریع" توصیف می‌شود. برخلاف طرح حفره ریزحلقه مصنوعی فوق‌الذکر که نیاز به پمپاژ مداوم، تنظیم دقیق دتاسیون برای کنترل تولید پالس و استفاده از محیط‌های بسیار غیرخطی برای کاهش آستانه FWM دارد، این "اشتعال" به ویژگی‌های اوج توان پالس‌های فوق سریع برای تحریک مستقیم FWM متکی است و پس از "قطع احتراق"، به UHRP خودپایدار دست می‌یابد.

شکل 1 مکانیسم اصلی دستیابی به خودسازماندهی پالس را بر اساس تحریک پالس بذر فوق سریع حفره‌های حلقه‌ای فیبر اتلافی نشان می‌دهد. پالس بذر فوق کوتاه تزریق شده خارجی (دوره T0، فرکانس تکرار F) به عنوان "منبع احتراق" برای تحریک یک میدان پالس پرقدرت در داخل حفره اتلاف عمل می‌کند. ماژول بهره درون سلولی به صورت هم‌افزایی با شکل‌دهنده طیفی کار می‌کند تا انرژی پالس بذر را از طریق تنظیم مشترک در حوزه زمان-فرکانس به یک پاسخ طیفی شانه‌ای شکل تبدیل کند. این فرآیند محدودیت‌های پمپاژ مداوم سنتی را از بین می‌برد: پالس بذر هنگامی که به آستانه FWM اتلاف می‌رسد خاموش می‌شود و حفره اتلاف حالت خودسازماندهی پالس را از طریق تعادل دینامیکی بهره و اتلاف حفظ می‌کند، با فرکانس تکرار پالس که Fs است (مربوط به فرکانس ذاتی FF و دوره T حفره).

این مطالعه همچنین تأیید نظری را انجام داد. بر اساس پارامترهای اتخاذ شده در تنظیمات آزمایش و با 1psلیزر پالسی فوق سریعبه عنوان میدان اولیه، شبیه‌سازی عددی بر روی فرآیند تکامل حوزه زمان و فرکانس پالس در داخل حفره لیزر انجام شد. مشخص شد که پالس از سه مرحله عبور می‌کند: تقسیم پالس، نوسان دوره‌ای پالس و توزیع یکنواخت پالس در کل حفره لیزر. این نتیجه عددی همچنین ویژگی‌های خودسازماندهی پالس را به طور کامل تأیید می‌کند.لیزر پالسی.

با تحریک اثر اختلاط چهار موج در حفره حلقه فیبر اتلافی از طریق احتراق پالس بذر فوق سریع، تولید و نگهداری خودسازمانده پالس‌های فرکانس تکرار فوق بالای زیر THZ (خروجی پایدار با توان 0.5 وات پس از خاموش شدن بذر) با موفقیت حاصل شد و نوع جدیدی از منبع نور را برای میدان لیدار فراهم کرد: فرکانس مجدد سطح زیر THZ آن می‌تواند وضوح ابر نقطه‌ای را تا سطح میلی‌متر افزایش دهد. ویژگی خودپایداری پالس به طور قابل توجهی مصرف انرژی سیستم را کاهش می‌دهد. ساختار تمام فیبر، عملکرد پایدار بالا را در باند ایمنی چشم 1.5 میکرومتر تضمین می‌کند. با نگاه به آینده، انتظار می‌رود این فناوری، تکامل لیدار نصب شده بر روی خودرو را به سمت کوچک‌سازی (بر اساس میکرو فیلترهای MZI) و تشخیص دوربرد (گسترش توان به > 1W) سوق دهد و از طریق احتراق هماهنگ چند طول موجی و تنظیم هوشمند، با الزامات درک محیط‌های پیچیده بیشتر سازگار شود.