Laser xung có tốc độ lặp lại cực cao

Laser xung có tốc độ lặp lại cực cao

Trong thế giới vi mô của tương tác giữa ánh sáng và vật chất, các xung tần số lặp lại cực cao (UHRP) hoạt động như những thước đo thời gian chính xác – chúng dao động với tần số hơn một tỷ lần mỗi giây (1GHz), ghi lại dấu vết phân tử của tế bào ung thư trong hình ảnh quang phổ, truyền tải lượng dữ liệu khổng lồ trong truyền thông cáp quang và hiệu chuẩn tọa độ bước sóng của các ngôi sao trong kính viễn vọng. Đặc biệt trong bước nhảy vọt về chiều phát hiện của lidar, laser xung tần số lặp lại cực cao terahertz (100-300 GHz) đang trở thành công cụ mạnh mẽ để xuyên qua lớp giao thoa, định hình lại ranh giới của nhận thức ba chiều với sức mạnh thao tác không gian-thời gian ở cấp độ photon. Hiện nay, việc sử dụng các vi cấu trúc nhân tạo, chẳng hạn như các khoang vòng siêu nhỏ đòi hỏi độ chính xác xử lý ở cấp độ nano để tạo ra sự pha trộn bốn sóng (FWM), là một trong những phương pháp chính để thu được các xung quang tần số lặp lại cực cao. Các nhà khoa học đang tập trung vào việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong quá trình xử lý các cấu trúc siêu mịn, vấn đề điều chỉnh tần số trong quá trình khởi tạo xung và vấn đề hiệu suất chuyển đổi sau khi tạo xung. Một cách tiếp cận khác là sử dụng sợi quang phi tuyến tính cao và tận dụng hiệu ứng bất ổn định điều chế hoặc hiệu ứng FWM bên trong khoang laser để kích thích UHRP. Cho đến nay, chúng ta vẫn cần một "bộ định hình thời gian" khéo léo hơn.

Quá trình tạo ra UHRP bằng cách tiêm xung siêu nhanh để kích thích hiệu ứng FWM tiêu tán được mô tả là "đánh lửa siêu nhanh". Khác với sơ đồ khoang microring nhân tạo đã đề cập ở trên, đòi hỏi phải bơm liên tục, điều chỉnh chính xác độ lệch pha để kiểm soát việc tạo xung và sử dụng vật liệu phi tuyến tính cao để hạ thấp ngưỡng FWM, "đánh lửa" này dựa vào đặc tính công suất cực đại của xung siêu nhanh để kích thích trực tiếp FWM, và sau khi "đánh lửa tắt", đạt được UHRP tự duy trì.

Hình 1 minh họa cơ chế cốt lõi để đạt được sự tự tổ chức xung dựa trên sự kích thích xung hạt giống siêu nhanh của các khoang vòng sợi tiêu tán. Xung hạt giống siêu ngắn được tiêm từ bên ngoài (chu kỳ T0, tần số lặp lại F) đóng vai trò là "nguồn đánh lửa" để kích thích trường xung công suất cao bên trong khoang tiêu tán. Mô-đun khuếch đại nội bào hoạt động hiệp đồng với bộ định hình phổ để chuyển đổi năng lượng xung hạt giống thành phản ứng phổ hình lược thông qua điều chỉnh chung trong miền thời gian-tần số. Quá trình này phá vỡ các hạn chế của bơm liên tục truyền thống: xung hạt giống tắt khi đạt đến ngưỡng FWM tiêu tán và khoang tiêu tán duy trì trạng thái tự tổ chức của xung thông qua sự cân bằng động của độ lợi và độ mất, với tần số lặp lại xung là Fs (tương ứng với tần số nội tại FF và chu kỳ T của khoang).

Nghiên cứu này cũng đã tiến hành kiểm chứng lý thuyết. Dựa trên các thông số được áp dụng trong thiết lập thực nghiệm và với 1pslaser xung cực nhanhVới tư cách là trường ban đầu, mô phỏng số đã được thực hiện trên quá trình tiến triển của miền thời gian và tần số xung trong khoang laser. Kết quả cho thấy xung trải qua ba giai đoạn: phân tách xung, dao động tuần hoàn xung và phân bố xung đồng đều trên toàn bộ khoang laser. Kết quả số này cũng xác minh đầy đủ các đặc tính tự tổ chức củalaser xung.

Bằng cách kích hoạt hiệu ứng trộn bốn sóng trong khoang vòng sợi tiêu tán thông qua đánh lửa xung hạt giống siêu nhanh, việc tạo và duy trì tự tổ chức các xung tần số lặp lại cực cao dưới THZ (công suất đầu ra ổn định 0,5W sau khi hạt giống tắt) đã đạt được thành công, cung cấp một loại nguồn sáng mới cho trường lidar: Tần số tái phát mức dưới THZ của nó có thể nâng cao độ phân giải đám mây điểm lên mức milimét. Tính năng tự duy trì xung làm giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống. Cấu trúc toàn sợi đảm bảo hoạt động ổn định cao trong băng tần an toàn mắt 1,5 μm. Nhìn về tương lai, công nghệ này dự kiến ​​sẽ thúc đẩy sự phát triển của lidar gắn trên xe theo hướng thu nhỏ (dựa trên bộ lọc vi mô MZI) và phát hiện tầm xa (mở rộng công suất lên > 1W) và thích ứng hơn nữa với các yêu cầu nhận thức của môi trường phức tạp thông qua đánh lửa phối hợp nhiều bước sóng và điều chỉnh thông minh.