Laser xung có tần số lặp cực cao

Laser xung có tần số lặp cực cao

Trong thế giới vi mô của sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, các xung có tần số lặp lại cực cao (UHRP) hoạt động như những thước đo thời gian chính xác – chúng dao động hơn một tỷ lần mỗi giây (1GHz), thu nhận dấu vân tay phân tử của tế bào ung thư trong hình ảnh quang phổ, mang theo lượng dữ liệu khổng lồ trong truyền thông cáp quang và hiệu chỉnh 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 có 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 khả năng thao tác không gian-thời gian ở cấp độ photon. Hiện nay, sử dụng các cấu trúc vi mô nhân tạo, chẳng hạn như các khoang vi vòng đòi hỏi độ chính xác xử lý ở cấp độ nano để tạo ra sự trộn bốn sóng (FWM), là một trong những phương pháp chính để thu được các xung quang có tần số lặp lại cực cao. Các nhà khoa học đang tập trung 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 các sợi quang có tính phi tuyến 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 bơm các xung siêu nhanh để kích thích hiệu ứng FWM tiêu tán được mô tả là “kích hoạt siêu nhanh”. Khác với sơ đồ khoang vi vòng nhân tạo đã đề cập ở trên, vốn yêu cầu bơm liên tục, điều chỉnh chính xác độ lệch tần để kiểm soát việc tạo xung và sử dụng môi trường phi tuyến tính cao để hạ thấp ngưỡng FWM, “kích hoạt” này dựa vào đặc tính công suất đỉnh của các xung siêu nhanh để trực tiếp kích thích FWM, và sau khi “tắt kích hoạt”, đạt được UHRP tự duy trì.

Hình 1 minh họa cơ chế cốt lõi của việc đạt được sự tự tổ chức xung dựa trên kích thích xung mồi siêu nhanh của các khoang vòng sợi tiêu tán. Xung mồi siêu ngắn được đưa vào từ bên ngoài (chu kỳ T0, tần số lặp lại F) đóng vai trò là “nguồn kích hoạt” để tạo ra trường xung công suất cao bên trong khoang tiêu tán. Mô-đun khuếch đại nội bào hoạt động đồng bộ với bộ định hình phổ để chuyển đổi năng lượng xung mồi thành đáp ứng phổ dạng lược thông qua điều chỉnh chung trong miền thời gian-tần số. Quá trình này vượt qua những hạn chế của phương pháp bơm liên tục truyền thống: xung mồi 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 giữa khuếch đại và suy hao, 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 tiến hành xác minh lý thuyết. Dựa trên các thông số được sử dụng trong thiết lập thí nghiệm và với thời gian lấy mẫu 1 pslaser xung cực nhanhDựa trên trường ban đầu, mô phỏng số đã được thực hiện trên quá trình tiến hóa của miền thời gian và tần số xung trong khoang laser. Kết quả cho thấy xung trải qua ba giai đoạn: tách xung, dao động tuần hoàn xung và phân bố đều xung trong toàn bộ khoang laser. Kết quả số này cũng hoàn toàn xác minh đặc tính tự tổ chức của xung.laser xung.

Bằng cách kích hoạt hiệu ứng trộn bốn sóng bên trong khoang vòng sợi quang tiêu tán thông qua việc kích hoạt xung mồi siêu nhanh, việc tự tạo và duy trì các xung tần số lặp lại cực cao dưới mức THZ (công suất đầu ra ổn định 0,5W sau khi tắt xung mồi) đã được thực hiện thành công, cung cấp một loại nguồn sáng mới cho lĩnh vực lidar: Tần số lặp lại ở mức dưới mức THZ có thể nâng cao độ phân giải đám mây điểm lên mức milimét. Tính năng tự duy trì xung giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống. Cấu trúc hoàn toàn bằng sợi quang đảm bảo hoạt động ổn định cao trong dải an toàn mắt 1,5 μm. Nhìn về tương lai, công nghệ này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy sự phát triển của lidar gắn trên xe hướng tới 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 việc kích hoạt phối hợp đa bước sóng và điều chỉnh thông minh.