импульсный лазер со сверхвысокой частотой повторения
В микроскопическом мире взаимодействия света и материи импульсы со сверхвысокой частотой повторения (UHRP) выступают в роли точных измерителей времени – они колеблются более миллиарда раз в секунду (1 ГГц), улавливая молекулярные отпечатки раковых клеток в спектральной визуализации, передавая огромные объемы данных в оптоволоконной связи и калибруя координаты длин волн звезд в телескопах. Особенно в условиях скачка в измерениях обнаружения лидаров, терагерцовые импульсные лазеры со сверхвысокой частотой повторения (100-300 ГГц) становятся мощными инструментами для преодоления интерференционного слоя, изменяя границы трехмерного восприятия с помощью пространственно-временной манипуляции на уровне фотонов. В настоящее время одним из основных методов получения оптических импульсов со сверхвысокой частотой повторения является использование искусственных микроструктур, таких как микрокольцевые резонаторы, требующие наноразмерной точности обработки для генерации четырехволнового смешения (FWM). Ученые сосредоточены на решении инженерных проблем обработки сверхтонких структур, проблемы настройки частоты во время инициирования импульса и проблемы эффективности преобразования после генерации импульса. Другой подход заключается в использовании сильно нелинейных волокон и применении эффекта модуляционной нестабильности или эффекта четырехволнового смешения внутри лазерного резонатора для возбуждения сверхвысокочастотных импульсов. Пока что нам все еще нужен более совершенный «формирователь времени».
Процесс генерации сверхвысокочастотного излучения (UHRP) путем инжекции сверхбыстрых импульсов для возбуждения диссипативного эффекта четырехволнового смешения (FWM) описывается как «сверхбыстрое зажигание». В отличие от вышеупомянутой схемы с искусственным микрокольцевым резонатором, требующей непрерывной накачки, точной регулировки расстройки для управления генерацией импульсов и использования сильно нелинейных сред для снижения порога FWM, это «зажигание» основано на характеристиках пиковой мощности сверхбыстрых импульсов для непосредственного возбуждения FWM, и после «выключения зажигания» достигается самоподдерживающееся сверхвысокочастотное излучение.
На рисунке 1 показан основной механизм достижения самоорганизации импульса на основе сверхбыстрого возбуждения диссипативных волоконно-кольцевых резонаторов затравочным импульсом. Внешне подаваемый сверхкороткий затравочный импульс (период T0, частота повторения F) служит «источником зажигания» для возбуждения мощного импульсного поля внутри диссипативной полости. Внутриклеточный модуль усиления работает в синергии с формирователем спектра, преобразуя энергию затравочного импульса в гребенчатый спектральный отклик посредством совместной регулировки во временной частотной области. Этот процесс преодолевает ограничения традиционной непрерывной накачки: затравочный импульс отключается, когда достигает порога четырехволнового смешения диссипативного сигнала, а диссипативная полость поддерживает самоорганизующееся состояние импульса за счет динамического баланса усиления и потерь, при этом частота повторения импульса составляет Fs (соответствует собственной частоте FF и периоду T полости).
В данном исследовании также была проведена теоретическая проверка. На основе параметров, принятых в экспериментальной установке, и при времени задержки 1 пс.сверхбыстрый импульсный лазерВ качестве исходного поля было проведено численное моделирование процесса эволюции импульса во временной области и по частоте внутри лазерного резонатора. Было обнаружено, что импульс проходит три стадии: расщепление импульса, периодическая осцилляция импульса и равномерное распределение импульса по всему лазерному резонатору. Этот численный результат также полностью подтверждает самоорганизующиеся характеристики.импульсный лазер.
За счет запуска эффекта четырехволнового смешения внутри диссипативного волоконно-кольцевого резонатора посредством сверхбыстрого зажигания затравочного импульса удалось успешно добиться самоорганизующейся генерации и поддержания импульсов сверхвысокой частоты повторения в диапазоне ниже ТГц (стабильная выходная мощность 0,5 Вт после выключения затравочного импульса), что обеспечило новый тип источника света для лидарной области: частота повторения импульсов на уровне ниже ТГц позволяет повысить разрешение облака точек до миллиметрового уровня. Функция самоподдержания импульса значительно снижает энергопотребление системы. Полностью волоконно-оптическая структура обеспечивает высокую стабильность работы в защитном диапазоне 1,5 мкм. В перспективе ожидается, что эта технология будет способствовать развитию автомобильных лидаров в направлении миниатюризации (на основе микрофильтров MZI) и обнаружения на больших расстояниях (расширение мощности до > 1 Вт), а также дальнейшей адаптации к требованиям восприятия в сложных условиях за счет многоволнового скоординированного зажигания и интеллектуального регулирования.
Дата публикации: 08.07.2025