Ultrahurtig fiberlaserteknologi genererer ultrakorte laserimpulser på femtosekund eller picosekund-niveau, hvilket giver fordele såsom høj strålekvalitet, enestående stabilitet og kompakt struktur. Den finder omfattende anvendelser inden for præcisionsbehandling, biomedicinsk forskning, spektroskopi og kommunikation. Traditionelle ultrahurtige fiberlasere anvender sjældne-jord-doterede fibre som forstærkningsmediet og udnytter energistrukturen på flere-niveauer af sjældne-jordiske ioner til at opnå stimuleret emission. På grund af den faste energiniveauafstand og den begrænsede spektrale bredde af sjældne-jordionovergange er laseroutput begrænset til diskrete spektralområder, hvilket væsentligt begrænser anvendelsesomfanget af ultrahurtige fiberlasere. Udvidelse af outputbølgelængden af ultrahurtige fiberlasere ud over det område, der dækkes af ionovergange, er ikke kun en naturlig fremgang i ultrahurtig teknologiudvikling, men adresserer også praktiske krav på tværs af videnskabelig forskning, medicinske applikationer, forsvar og andre områder.
Ultrahurtige Raman fiberlasere repræsenterer en effektiv metode til at generere laserimpulser ved specifikke bølgelængder. Nuværende mainstream-teknikker til generering af ultrahurtige Raman-lasere omfatter modus-låsning, synkron pumpning og ikke-lineær optisk forstærkningsmodulation (NOGM). Modus-låsning anvender typisk kontinuerlig-bølgepumpning, hvilket kræver ti til hundreder af meter fiber for at opnå tilstrækkelig Raman-forstærkning, hvilket resulterer i resonatorer med betydelig spredning og ikke-linearitet. Synkron pumpning bruger pulseret pumpning, hvilket effektivt forkorter resonatorlængden. Det kræver dog synkronisering mellem pumpeimpulsen og Raman-impulsen, hvilket øger systemets kompleksitet. Begge teknikker er afhængige af fiberresonatorstrukturer, hvilket begrænser output Raman-pulsenergien til nJ-området. I modsætning hertil anvender NOGM-teknologien en enkelt -frø-{10}}frø-injiceret Raman-fiberforstærkerkonfiguration til at generere højenergi- Raman-laserimpulser. I øjeblikket når Raman-impulser produceret ved hjælp af denne teknik hundredvis af nJ rækkevidde. At optimere systemarkitekturen for at generere Raman-impulser med højere-energi er et centralt forskningsfokus.
Sjælden-Earth Raman Hybrid Amplifier
Et fælles forskerhold bestående af professor Zhou Jiaqi fra Aerospace Laser Technology and Systems Department ved SIOM, Chinese Academy of Sciences og professor Feng Yan fra Shanghai Advanced Research Institute of USTC, kombinerede NOGM-teknologi med ytterbium-dopede fiberforstærkere. Ved at udnytte hybridforstærkningsmekanismen af sjældne-jordioner og stimuleret Raman-spredning (SRS), opnås ultra-raman-laseroutput ved 1121 nm-bølgelængden med mikrofokaliseringskapacitet, hvor pulsbredden kan komprimeres til 589 fs.
I et typisk NOGM-system fungerer en enkelt-kontinuerlig frekvenslaser som frøkilde, forstærket og formet i en enkelt fiber; en ultrahurtig laser fungerer som pumpekilden og giver ikke-lineær optisk forstærkning via SRS. Forstærkning forekommer kun i det tidsmæssige overlapsområde mellem enkelt-kontinuerlig frekvenslaser og pumpelaseren, hvilket i sidste ende konverterer den til en Raman-puls synkroniseret med pumpelaseren. I konventionelle NOGM-systemer er pumpepulsenergiforstærkningsenheden og den ikke-lineære optiske frekvenskonverteringsenhed adskilt: høj-effektbølgelængdedelingsmultipleksere er påkrævet for at koble høj-energipumpeimpulser med enkelt-frekvente kontinuerlige laserkim; desuden udgør fusionssplejsning af aktive og passive fibre under høje-effektforhold risici for langsigtet-systemstabilitet. Forskerholdet udviklede en ny, ultrahurtig fiberlaser-raman-hybridforstærker{10}}. Ved at bruge ytterbium-doteret fiber til samtidig at give sjælden-jordforstærkning og Raman-forstærkning, kan den generere Raman-impulser med enkelt-pulsenergier i mikrojoule-området. Som vist i figur 1 genererer en forstærknings-omskifterdiode 1065 nm pulseret laser med en pulsbredde på 18,3 ps, indstillet til en gentagelseshastighed på 10 MHz, og fungerer som systemets pumpekilde. En smal-linjebredde 1121 nm halvleder-enkelt-kontinuerlig laser fungerer som frøkilden, der samtidigt input til den ytterbium-doterede fiberforstærker.
Figur 1 Skematisk af det ultrahurtige fiberlaser, sjældne-jord Raman hybridforstærkersystem
Som vist i figur 2(a)-(d), kan den enkelte-pulsenergi af 1121 nm Raman-pulsen forstærkes til ~1 μJ, med pulsbredden komprimeret til 589 fs. Den maksimale Raman-konverteringseffektivitet når 69,9 %, og pulsgentagelsesfrekvenssignalet-til-støjforholdet opnår 81,1 dB. Uden enkelt-kontinuerlig laserinjektion er karakteristikaene for 1121 nm Raman-pulsen vist i (e)-(h). Under disse forhold udviser den genererede Raman-puls næsten-støj-lignende egenskaber med ustabil pulssekvensintensitet og et reduceret gentagelses-frekvenssignal-til-støjforhold på 67,4 dB. Disse eksperimentelle resultater bekræfter gennemførligheden af sjældne-jordarter Raman hybrid amplifikation NOGM og nødvendigheden af enkelt-frøinjektion.
Figur 2 Raman-pulslaserkarakteristika med (a)-(d) enkelt-frekvent kontinuerlig laserinjektion og (e)-(h) uden enkelt-frekvent kontinuerlig laserinjektion
Samtidig modellerede numeriske simuleringer pulsudviklingen under betingelser med en pumpepulsbredde på 60 ps og en Raman-fiberkernediameter på 14,5 μm, som afbildet i figur 3. Resultater indikerer, at Raman-pulsudgange i 10 μJ-området kan opnås ved at anvende{} større pulser og bredere pumper med 4}meter og større pumpe. Raman fibre.
Figur 3 Simuleringsresultater for en pumpepulsbredde på 60 ps og en fiberkernediameter på ca. 14,5 μm
Denne undersøgelse demonstrerer en ny ultrahurtig fiberlaser-ytterbium-Raman-hybridforstærker, der opnår ~1 μJ af 1121 nm Raman-laseroutput med en pulsbredde, der kan komprimeres til 589 fs. Yderligere numeriske simuleringer afslører, at brug af en pumpelaser med en bredere pulsbredde og fiber med en større kernediameter potentielt kunne opnå femtosekund Raman-pulsoutput i 10 μJ-området, hvilket repræsenterer et nøglefokus for efterfølgende forskning. Denne femtosekund Raman-fiberlaser, der er i stand til at generere høje-energiimpulser ved specifikke bølgelængder, tilbyder lovende lyskildeteknologistøtte til applikationer såsom materialebehandling og biomedicinsk billeddannelse.
