Импульсный лазер со сверхвысокой частотой повторения
В микроскопическом мире взаимодействия света и вещества сверхвысокая частота повторения импульсов (UHRP) действует как точный регулятор времени: они осциллируют более миллиарда раз в секунду (1 ГГц), фиксируя молекулярные «отпечатки пальцев» раковых клеток при спектральной визуализации, передавая огромные объемы данных по оптоволоконным линиям связи и калибруя координаты длин волн звезд в телескопах. Особенно в условиях скачка в области обнаружения лидаров, терагерцовые сверхвысокая частота повторения импульсов лазеров (100–300 ГГц) становятся мощными инструментами для проникновения через интерференционный слой, изменяя границы трехмерного восприятия с помощью пространственно-временной манипуляции на уровне фотонов. В настоящее время использование искусственных микроструктур, таких как микрокольцевые полости, требующих наномасштабной точности обработки для генерации четырехволнового смешения (FWM), является одним из основных методов получения оптических импульсов со сверхвысокой частотой повторения. Учёные сосредоточены на решении инженерных проблем, связанных с обработкой сверхтонких структур, включая проблему настройки частоты при инициировании импульса и проблему эффективности преобразования после его генерации. Другой подход заключается в использовании высоконелинейных волокон и использовании эффекта модуляционной нестабильности (FWM) в резонаторе лазера для возбуждения сверхтонких лазеров (UHRP). Пока что нам всё ещё требуется более совершенный «формирователь времени».
Процесс генерации сверхбыстрого импульсного излучения (UHRP) путем инжекции сверхбыстрых импульсов для возбуждения диссипативного эффекта FWM описывается как «сверхбыстрое зажигание». В отличие от вышеупомянутой схемы искусственного микрокольцевого резонатора, требующей непрерывной накачки, точной настройки расстройки для управления генерацией импульсов и использования высоконелинейных сред для снижения порога FWM, этот «зажигание» основан на пиковых мощностных характеристиках сверхбыстрых импульсов для непосредственного возбуждения FWM и достижения самоподдерживающегося сверхбыстрого импульсного излучения (UHRP) после «зажигания».
На рисунке 1 показан основной механизм достижения самоорганизации импульса, основанный на возбуждении диссипативных волоконных кольцевых резонаторов сверхбыстрым затравочным импульсом. Введенный извне 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 со спектральным формирователем, преобразуя энергию затравочного импульса в гребенчатый спектральный отклик посредством совместной регулировки в частотно-временной области. Этот процесс преодолевает ограничения традиционной непрерывной накачки: затравочный импульс отключается при достижении порога диссипации FWM, а диссипативная полость поддерживает самоорганизованное состояние импульса благодаря динамическому балансу усиления и потерь, при этом частота повторения импульсов равна Fs (соответствует собственной частоте FF и периоду T резонатора).
В этом исследовании также была проведена теоретическая проверка. На основе параметров, принятых в экспериментальной установке, и с 1 пссверхбыстрый импульсный лазерВ качестве исходного поля было проведено численное моделирование процесса эволюции импульса во временной области и частоте в резонаторе лазера. Было обнаружено, что импульс проходит три стадии: расщепление импульса, периодическую осцилляцию импульса и равномерное распределение импульса по всему резонатору лазера. Этот численный результат также полностью подтверждает самоорганизующиеся характеристикиимпульсный лазер.
Запуская эффект смешения четырех волн в кольцевом резонаторе рассеивающего волокна посредством сверхбыстрого зажигания затравочного импульса, была успешно достигнута самоорганизующаяся генерация и поддержание импульсов сверхвысокой частоты повторения суб-ТГц (стабильная выходная мощность 0,5 Вт после выключения затравки), что обеспечивает новый тип источника света для поля лидара: его перестройка на уровне суб-ТГц может улучшить разрешение облака точек до миллиметрового уровня. Функция самоподдержания импульса значительно снижает энергопотребление системы. Полностью волоконная структура обеспечивает высокостабильную работу в безопасном для глаз диапазоне длин волн 1,5 мкм. Заглядывая в будущее, ожидается, что эта технология будет стимулировать эволюцию лидаров, устанавливаемых на транспортных средствах, в сторону миниатюризации (на основе микрофильтров MZI) и дальнего обнаружения (расширение мощности до > 1 Вт), а также дальнейшую адаптацию к требованиям восприятия в сложных условиях за счет многоволнового скоординированного зажигания и интеллектуального регулирования.
Время публикации: 08 июля 2025 г.