Technológia ultrarýchlych vláknových laserov generuje ultrakrátke laserové impulzy na úrovni femtosekundy alebo pikosekundy{0}}, ktoré ponúkajú výhody, ako je vysoká kvalita lúča, výnimočná stabilita a kompaktná štruktúra. Nájde rozsiahle aplikácie v presnom spracovaní, biomedicínskom výskume, spektroskopii a komunikácii. Tradičné ultrarýchle vláknové lasery využívajú vlákna dopované vzácnymi-zeminami-ako médium zisku, pričom na dosiahnutie stimulovanej emisie využívajú viac{5}}úrovňovú energetickú štruktúru iónov vzácnych-zemí. Avšak kvôli pevnému energetickému rozstupu a obmedzenej spektrálnej šírke prechodov iónov vzácnych zemín je výstup lasera obmedzený na diskrétne spektrálne rozsahy, čo výrazne obmedzuje rozsah použitia ultrarýchlych vláknových laserov. Predĺženie výstupnej vlnovej dĺžky ultrarýchlych vláknových laserov nad rozsah pokrytý iónovými prechodmi nie je len prirodzeným pokrokom vo vývoji ultrarýchlych technológií, ale rieši aj praktické požiadavky vo vedeckom výskume, medicínskych aplikáciách, obrane a iných oblastiach.
Ultrarýchle Ramanove vláknové lasery predstavujú efektívnu metódu na generovanie laserových impulzov pri špecifických vlnových dĺžkach. Súčasné hlavné techniky generovania ultrarýchlych Ramanových laserov zahŕňajú blokovanie režimov,{1}}synchrónne čerpanie a nelineárnu moduláciu optického zisku (NOGM). Blokovanie-režimu zvyčajne využíva nepretržité-pumpovanie vĺn, ktoré si vyžaduje desiatky až stovky metrov vlákna na dosiahnutie dostatočného Ramanovho zisku, výsledkom čoho sú rezonátory s výrazným rozptylom a nelinearitou. Synchrónne čerpanie využíva pulzné čerpanie, čím sa efektívne skracuje dĺžka rezonátora. Vyžaduje si to však synchronizáciu medzi pulzom pumpy a Ramanovým pulzom, čím sa zvyšuje zložitosť systému. Obe techniky sa spoliehajú na štruktúry vláknových rezonátorov, ktoré obmedzujú výstupnú energiu Ramanovho impulzu na rozsah nJ. Na rozdiel od toho technológia NOGM využíva konfiguráciu Ramanovho vláknového zosilňovača so vstrekovaním jednej -frekvencie semena{10} na generovanie vysokoenergetických Ramanových laserových impulzov. V súčasnosti dosahujú Ramanove impulzy vyrobené touto technikou rozsah stoviek nJ. Kľúčovým zameraním výskumu je optimalizácia architektúry systému s cieľom generovať{14}}Ramanove impulzy s vyššou energiou.
Vzácny-Earth Raman Hybrid Amplifier
Spoločný výskumný tím pozostávajúci z profesora Zhou Jiaqiho z oddelenia leteckých laserových technológií a systémov v SIOM Čínskej akadémie vied a profesora Feng Yana zo Šanghajského pokročilého výskumného inštitútu USTC skombinoval technológiu NOGM so zosilňovačmi s vláknami dopovanými ytterbiom-. Využitím hybridného zosilňovacieho mechanizmu vzácnych iónov -zeme a stimulovaného Ramanovho rozptylu (SRS) sa dosahuje ultra-rýchly výstup Ramanovho lasera pri vlnovej dĺžke 1121 nm so schopnosťou mikrofokalizácie, kde možno šírku impulzu stlačiť na 589 fs.
V typickom systéme NOGM slúži ako zdroj zárodkov jednofrekvenčný kontinuálny laser, ktorý je zosilnený a tvarovaný v rámci jedného vlákna; ultrarýchly laser pôsobí ako zdroj pumpy a poskytuje nelineárny optický zisk prostredníctvom SRS. K zosilneniu dochádza iba v oblasti dočasného prekrytia medzi jednofrekvenčným kontinuálnym laserom a pumpovým laserom, čím sa nakoniec premení na Ramanov impulz synchronizovaný s pumpovým laserom. V konvenčných systémoch NOGM sú zosilňovacia jednotka pulznej energie pumpy a jednotka nelineárnej optickej frekvenčnej konverzie oddelené: na spájanie vysoko-pulzov pumpy s jednou-frekvenciou kontinuálneho lasera sú potrebné vysokovýkonné multiplexory s delením vlnovej dĺžky; okrem toho fúzne spojenie aktívnych a pasívnych vlákien za podmienok vysokého-výkonu predstavuje riziko pre dlhodobú-stabilitu systému. Výskumný tím vyvinul nový ultrarýchly vláknový laserový hybridný zosilňovač{10}}ramanov so vzácnymi zeminami. Využitím vlákna dopovaného ytterbiom-na súčasné zabezpečenie zisku vzácnych{13}}zemí a Ramanovho zisku môže generovať Ramanove impulzy s energiou jediného{14}}pulzu v rozsahu mikrojoulov. Ako je znázornené na obrázku 1, dióda s prepínaním zisku{17}} generuje 1065 nm pulzný laser so šírkou pulzu 18,3 ps, nastavený na opakovaciu frekvenciu 10 MHz, ktorý slúži ako zdroj pumpy systému. Polovodičový jednofrekvenčný kontinuálny laser s úzkym-čiarom a šírkou 1121 nm funguje ako zdroj zárodkov, ktorý súčasne vstupuje do ytterbiového-vláknového zosilňovača.
Obrázok 1 Schéma ultrarýchleho vláknového laserového hybridného systému Ramanovho zosilňovača so vzácnymi-zeminami
Ako je znázornené na obrázku 2(a)-(d), energia jediného-impulzu 1121 nm Ramanovho impulzu môže byť zosilnená na ~1 μJ, pričom šírka impulzu je stlačená na 589 fs. Maximálna účinnosť Ramanovej konverzie dosahuje 69,9 % a pomer frekvencie opakovania pulzu medzi signálom-k-šumom dosahuje 81,1 dB. Bez jednofrekvenčného kontinuálneho laserového vstrekovania sú charakteristiky 1121 nm Ramanovho impulzu uvedené v (e)-(h). Za týchto podmienok vygenerovaný Ramanov impulz vykazuje takmer -šumové{17}}charakteristiky, s nestabilnou intenzitou sekvencie impulzov a zníženým pomerom-frekvencie signálu-k-šumu 67,4 dB. Tieto experimentálne výsledky potvrdzujú uskutočniteľnosť NOGM hybridnej amplifikácie Ramanových zemín so vzácnymi zeminami a nevyhnutnosť jednofrekvenčnej injekcie semien.
Obrázok 2 Charakteristiky Ramanovho pulzného lasera s (a)-(d) jednofrekvenčným kontinuálnym vstrekovaním lasera a (e)-(h) bez jedno-frekvenčného kontinuálneho laserového vstrekovania
Súčasne numerické simulácie modelovali vývoj impulzu za podmienok šírky impulzu pumpy 60 ps a priemeru jadra Ramanovho vlákna 14,5 μm, ako je znázornené na obrázku 3. Výsledky naznačujú, že výstupy Ramanovho impulzu v rozsahu 10 μJ možno dosiahnuť použitím širších impulzov pumpy a väčšieho priemeru Ramanových vlákien s -jadro-}
Obrázok 3 Výsledky simulácie pre šírku impulzu pumpy 60 ps a priemer jadra vlákna približne 14,5 μm
Táto štúdia demonštruje nový ultrarýchly vláknový laser ytterbium{0}}Ramanov hybridný zosilňovač, ktorý dosahuje ~1 μJ 1121 nm Ramanovho laserového výstupu so šírkou impulzu stlačiteľnou na 589 fs. Ďalšie numerické simulácie odhaľujú, že použitie pumpového lasera so širšou šírkou impulzu a vlákna s väčším priemerom jadra by mohlo potenciálne dosiahnuť femtosekundové Ramanove impulzné výstupy v rozsahu 10 μJ, čo predstavuje kľúčové zameranie pre nasledujúci výskum. Tento femtosekundový laser s Ramanovými vláknami, schopný generovať vysokoenergetické impulzy pri špecifických vlnových dĺžkach, ponúka sľubnú podporu technológie svetelných zdrojov pre aplikácie, ako je spracovanie materiálov a biomedicínske zobrazovanie.
