Ultra-high repetition rate pulsed laser

Ultra-high repetition rate pulsed laser

Sa mikroskopikong mundo ng interaksyon sa pagitan ng liwanag at materya, ang mga ultra-high repetition rate pulse (UHRP) ay nagsisilbing tumpak na mga tagapamahala ng oras – nag-o-oscillate ang mga ito nang mahigit isang bilyong beses bawat segundo (1GHz), kinukuha ang mga molecular fingerprint ng mga selula ng kanser sa spectral imaging, nagdadala ng napakalaking dami ng data sa optical fiber communication, at kinakalibrate ang mga wavelength coordinate ng mga bituin sa mga teleskopyo. Lalo na sa paglukso ng detection dimension ng lidar, ang mga terahertz ultra-high repetition rate pulsed laser (100-300 GHz) ay nagiging makapangyarihang kagamitan upang makapasok sa interference layer, na muling hinuhubog ang mga hangganan ng three-dimensional perception gamit ang spatiotemporal manipulation power sa antas ng photon. Sa kasalukuyan, ang paggamit ng mga artipisyal na microstructure, tulad ng mga micro-ring cavity na nangangailangan ng nanoscale processing accuracy upang makabuo ng four-wave mixing (FWM), ay isa sa mga pangunahing paraan upang makakuha ng ultra-high repetition rate optical pulse. Nakatuon ang mga siyentipiko sa paglutas ng mga problema sa engineering sa pagproseso ng mga ultra-fine na istruktura, ang problema sa frequency tuning sa panahon ng pulse initiation, at ang problema sa conversion efficiency pagkatapos ng pulse generation. Ang isa pang paraan ay ang paggamit ng mga highly nonlinear fibers at gamitin ang modulation instability effect o FWM effect sa loob ng laser cavity upang ma-excite ang mga UHRP. Sa ngayon, kailangan pa rin natin ng mas mahusay na "time shaper".

Ang proseso ng pagbuo ng UHRP sa pamamagitan ng pag-inject ng mga ultrafast pulse upang ma-excite ang dissipative FWM effect ay inilalarawan bilang "ultrafast ignition". Naiiba sa nabanggit na artificial microring cavity scheme na nangangailangan ng patuloy na pagbomba, tumpak na pagsasaayos ng detuning upang makontrol ang pagbuo ng pulse, at paggamit ng mga highly nonlinear media upang mapababa ang FWM threshold, ang "ignition" na ito ay umaasa sa mga peak power characteristics ng mga ultrafast pulse upang direktang ma-excite ang FWM, at pagkatapos ng "ignition off", makakamit ang self-sustaining UHRP.

Inilalarawan ng Figure 1 ang pangunahing mekanismo ng pagkamit ng pulse self-organization batay sa ultrafast seed pulse excitation ng mga dissipative fiber ring cavities. Ang externally injected ultrashort seed pulse (period T0, repetition frequency F) ay nagsisilbing "ignition source" upang ma-excite ang isang high-power pulse field sa loob ng dissipation cavity. Ang intracellular gain module ay gumagana nang may synergy kasama ang spectral shaper upang i-convert ang seed pulse energy sa isang hugis-suklay na spectral response sa pamamagitan ng joint regulation sa time-frequency domain. Ang prosesong ito ay lumalampas sa mga limitasyon ng tradisyonal na continuous pumping: ang seed pulse ay namamatay kapag naabot nito ang dissipation FWM threshold, at ang dissipation cavity ay nagpapanatili ng self-organizing state ng pulse sa pamamagitan ng dynamic balance ng gain at loss, kung saan ang pulse repetition frequency ay Fs (katumbas ng intrinsic frequency FF at period T ng cavity).

Nagsagawa rin ang pag-aaral na ito ng teoretikal na beripikasyon. Batay sa mga parametrong ginamit sa eksperimental na setup at may 1psnapakabilis na pulso laserBilang panimulang larangan, isinagawa ang numerical simulation sa proseso ng ebolusyon ng time domain at frequency ng pulso sa loob ng laser cavity. Natuklasan na ang pulso ay dumaan sa tatlong yugto: pulse splitting, pulse periodic oscillation, at pulse uniform distribution sa buong laser cavity. Lubos ding pinatutunayan ng numerical result na ito ang mga self-organizing na katangian nglaser ng pulso.

Sa pamamagitan ng pagpapagana ng four-wave mixing effect sa loob ng dissipative fiber ring cavity sa pamamagitan ng ultrafast seed pulse ignition, ang self-organizing generation at maintenance ng sub-THZ ultra-high repetition frequency pulses (stable output na 0.5W power pagkatapos mapatay ang seed) ay matagumpay na nakamit, na nagbibigay ng isang bagong uri ng light source para sa lidar field: Ang sub-THZ level refrequency nito ay maaaring mapahusay ang point cloud resolution sa millimeter level. Ang pulse self-sustaining feature ay makabuluhang nakakabawas sa pagkonsumo ng enerhiya ng system. Tinitiyak ng all-fiber structure ang mataas na stability operation sa 1.5 μm eye safety band. Sa pagtingin sa hinaharap, inaasahang magtutulak ang teknolohiyang ito sa ebolusyon ng vehicle-mounted lidar tungo sa miniaturization (batay sa MZI micro-filters) at long-range detection (power expansion sa > 1W), at higit pang iakma sa mga kinakailangan sa perception ng mga kumplikadong kapaligiran sa pamamagitan ng multi-wavelength coordinated ignition at intelligent regulation.