Tehnologija lasera s ultrabrzim vlaknima generira ultrakratke laserske impulse femtosekunde ili pikosekunde -na razini, nudeći prednosti kao što su visoka kvaliteta zrake, iznimna stabilnost i kompaktna struktura. Pronalazi široku primjenu u preciznoj obradi, biomedicinskim istraživanjima, spektroskopiji i komunikacijama. Tradicionalni laseri s ultrabrzim vlaknima koriste vlakna dopirana rijetkom-zemljom- kao medij pojačanja, koristeći više{5}}razinsku strukturu energije iona rijetke-zemlje za postizanje stimulirane emisije. Međutim, zbog fiksnog razmaka energetskih razina i ograničene spektralne širine prijelaza iona rijetke{8}}zemlje, izlaz lasera ograničen je na diskretne spektralne raspone, što značajno ograničava opseg primjene ultrabrzih vlaknastih lasera. Proširenje izlazne valne duljine ultrabrzih vlaknastih lasera izvan raspona pokrivenog ionskim prijelazima nije samo prirodni napredak u razvoju ultrabrze tehnologije, već se također bavi praktičnim zahtjevima u znanstvenim istraživanjima, medicinskim primjenama, obrani i drugim poljima.
Ultrabrzi laseri s Ramanovim vlaknima predstavljaju učinkovitu metodu za generiranje laserskih impulsa na određenim valnim duljinama. Trenutačne glavne tehnike za generiranje ultrabrzih Ramanovih lasera uključuju-zaključavanje moda, sinkrono pumpanje i nelinearnu optičku modulaciju pojačanja (NOGM). Zaključavanje načina-obično koristi kontinuirano-pumpanje valova, zahtijevajući desetke do stotine metara vlakana da se postigne dovoljno Ramanovo pojačanje, što rezultira rezonatorima sa značajnom disperzijom i nelinearnošću. Sinkrono pumpanje koristi impulsno pumpanje, učinkovito skraćujući duljinu rezonatora. Međutim, to zahtijeva sinkronizaciju između impulsa pumpe i Raman pulsa, povećavajući složenost sustava. Obje se tehnike oslanjaju na vlaknaste rezonatorske strukture, ograničavajući izlaznu energiju Ramanovog pulsa na raspon nJ. Nasuprot tome, NOGM tehnologija koristi konfiguraciju pojačala s jednom-frekvencijom-injektiranim Ramanovim vlaknom za generiranje visoko{11}}energetskih Raman laserskih impulsa. Trenutno, Ramanovi impulsi proizvedeni ovom tehnikom dosežu raspon stotina nJ. Optimiziranje arhitekture sustava za generiranje Ramanovih-pulsova veće energije ključni je fokus istraživanja.
Rijetko{0}}Ramanovo hibridno pojačalo
Zajednički istraživački tim koji se sastoji od profesora Zhou Jiaqija iz Odjela za zrakoplovnu lasersku tehnologiju i sustave pri SIOM-u Kineske akademije znanosti i profesora Feng Yana sa Šangajskog naprednog istraživačkog instituta USTC-a kombinirao je NOGM tehnologiju s vlaknastim pojačalima dopiranim iterbijem-. Iskorištavanjem hibridnog mehanizma pojačanja iona rijetkih{2}}zemlja i stimuliranog Ramanovog raspršenja (SRS), postizanje ultra-brzog izlaza Ramanovog lasera na valnoj duljini od 1121 nm s mogućnošću mikrofokalizacije, gdje se širina impulsa može komprimirati na 589 fs.
U tipičnom NOGM sustavu, jedno-frekventni kontinuirani laser služi kao početni izvor, pojačan i oblikovan unutar jednog vlakna; ultrabrzi laser djeluje kao izvor pumpe, osiguravajući nelinearno optičko pojačanje putem SRS-a. Pojačanje se događa samo u području vremenskog preklapanja između jedno-frekventnog kontinuiranog lasera i lasera pumpe, u konačnici ga pretvarajući u Ramanov puls sinkroniziran s laserom pumpe. U konvencionalnim NOGM sustavima, jedinica za pojačanje energije impulsa pumpe i jedinica za nelinearnu optičku pretvorbu frekvencije su odvojene: potrebni su-multipleksori s valnim duljinama visoke snage za spajanje pulseva pumpe visoke-energije s jedno-frekventnim kontinuiranim laserskim izvorima; štoviše, fuziono spajanje aktivnih i pasivnih vlakana u uvjetima visoke-napone predstavlja rizik za dugoročnu-stabilnost sustava. Istraživački tim razvio je novo Ramanovo hibridno pojačalo ultrabrzog lasera s rijetkim{10}}zemljama. Upotrebom vlakana dopiranih iterbijem-za istovremeno dobivanje dobitka-rijetke zemlje i Ramanovog pojačanja, može generirati Ramanove impulse s pojedinačnim-pulsnim energijama u rasponu mikrodžula. Kao što je prikazano na slici 1, dioda s promjenom pojačanja generira pulsni laser od 1065 nm sa širinom pulsa od 18,3 ps, postavljenom na brzinu ponavljanja od 10 MHz, služeći kao izvor pumpe sustava. Poluvodički jedno-frekventni kontinuirani laser uske-linije širine 1121 nm djeluje kao početni izvor, istovremeno ulazeći u pojačivač s vlaknima dopiranim iterbijem-.
Slika 1. Shema ramanskog hibridnog sustava pojačala ultrabrzog lasera s rijetkim{1}}zemljama
Kao što je prikazano na slici 2(a)-(d), energija jednog-pulsa Ramanovog pulsa od 1121 nm može se pojačati na ~1 μJ, sa širinom impulsa komprimiranom na 589 fs. Maksimalna Ramanova učinkovitost pretvorbe doseže 69,9%, a omjer signala-na-šuma brzine ponavljanja pulsa 81,1 dB. Bez jedno-kontinuirane laserske injekcije s jednom frekvencijom, karakteristike Ramanovog pulsa od 1121 nm prikazane su u (e)-(h). Pod ovim uvjetima, generirani Ramanov puls pokazuje karakteristike slične -šumu-, s nestabilnim intenzitetom sekvence pulsa i smanjenim omjerom-brzine ponavljanja signala-i-šuma od 67,4 dB. Ovi eksperimentalni rezultati potvrđuju izvedivost ramanskog hibridnog pojačanja rijetke-zemlje NOGM i nužnost jedno-ubrizgavanja sjemena frekvencije.
Slika 2. Karakteristike Raman pulsnog lasera s (a)-(d) jedno-frekventnim kontinuiranim laserskim ubrizgavanjem i (e)-(h) bez jedno-frekventnog kontinuiranog laserskog ubrizgavanja
Istovremeno, numeričke simulacije modelirale su evoluciju pulsa u uvjetima širine impulsa pumpe od 60 ps i promjera jezgre Ramanovog vlakna od 14,5 μm, kao što je prikazano na slici 3. Rezultati pokazuju da se izlazi Ramanovog pulsa u rasponu od 10 μJ mogu postići primjenom širih impulsa pumpanja i Ramanovih vlakana većeg-jezgre-promjera.
Slika 3 Rezultati simulacije za širinu impulsa pumpe od 60 ps i promjer jezgre vlakna od približno 14,5 μm
Ova studija demonstrira novo ultrabrzo vlaknasto lasersko iterbijevo-Ramanovo hibridno pojačalo, koje postiže ~1 μJ od 1121 nm Ramanovog laserskog izlaza sa širinom impulsa kompresibilnom na 589 fs. Daljnje numeričke simulacije otkrivaju da bi korištenje lasera pumpe sa širim pulsom i vlakna s većim promjerom jezgre potencijalno moglo postići femtosekundni Raman pulsni izlaz u rasponu od 10 μJ, što predstavlja ključni fokus za daljnja istraživanja. Ovaj femtosekundni laser s Ramanovim vlaknima, sposoban generirati visoko{7}}energetske impulse na određenim valnim duljinama, nudi obećavajuću podršku za tehnologiju izvora svjetlosti za aplikacije kao što su obrada materijala i biomedicinsko snimanje.
