Ултрабързата лазерна технология с влакна генерира ултракъси лазерни импулси с фемтосекундно или пикосекундно -ниво, като предлага предимства като високо качество на лъча, изключителна стабилност и компактна структура. Той намира широки приложения в прецизната обработка, биомедицинските изследвания, спектроскопията и комуникациите. Традиционните лазери с ултрабързи влакна използват влакна с добавка на редко{3}}земни-като усилваща среда, използвайки много{5}}енергетичната структура на редкоземните-йони за постигане на стимулирано излъчване. Въпреки това, поради фиксираното разпределение на енергийните нива и ограничената спектрална ширина на редкоземните йонни преходи, изходът на лазера е ограничен до дискретни спектрални диапазони, което значително ограничава обхвата на приложение на свръхбързите влакнести лазери. Разширяването на изходната дължина на вълната на ултрабързите оптични лазери извън диапазона, обхванат от йонните преходи, е не само естествен прогрес в развитието на ултрабързите технологии, но също така отговаря на практическите изисквания в научните изследвания, медицинските приложения, отбраната и други области.
Свръхбързите лазери с раманови влакна представляват ефективен метод за генериране на лазерни импулси при определени дължини на вълната. Текущите основни техники за генериране на свръхбързи раманови лазери включват-заключване на режима, синхронно изпомпване и нелинейна оптична модулация на усилване (NOGM). Заключването на режим-обикновено използва непрекъснато-изпомпване на вълни, което изисква десетки до стотици метри влакна за постигане на достатъчно Raman усилване, което води до резонатори със значителна дисперсия и нелинейност. Синхронното изпомпване използва импулсно изпомпване, което ефективно скъсява дължината на резонатора. Това обаче налага синхронизиране между импулса на помпата и импулса на Раман, което увеличава сложността на системата. И двете техники разчитат на влакнести резонаторни структури, ограничавайки енергията на изходния раманов импулс до диапазона nJ. За разлика от това, технологията NOGM използва конфигурация на усилвател с едно-честотно-във влакно Раман за генериране на високо{11}}енергийни Раманови лазерни импулси. Понастоящем импулсите на Raman, произведени с помощта на тази техника, достигат диапазона от стотици nJ. Оптимизирането на системната архитектура за генериране на Раманови импулси с по-висока{14}}енергия е ключов изследователски фокус.
Раманов хибриден усилвател на Rare-Earth
Съвместен изследователски екип, включващ професор Zhou Jiaqi от отдела за аерокосмически лазерни технологии и системи към SIOM, Китайската академия на науките, и професор Feng Yan от Шанхайския институт за напреднали изследвания на USTC, комбинира технологията NOGM с усилватели с итербий-оптични влакна. Чрез използване на хибридния механизъм за усилване на редкоземни йони и стимулирано раманово разсейване (SRS), постигане на ултра{3}}бърз изход на раманов лазер при дължина на вълната 1121 nm с възможност за микрофокализация, където ширината на импулса може да бъде компресирана до 589 fs.
В типична NOGM система един-честотен непрекъснат лазер служи като зародишен източник, усилен и оформен в едно влакно; свръхбързият лазер действа като източник на помпа, осигурявайки нелинейно оптично усилване чрез SRS. Усилването възниква само в областта на временното припокриване между едно-честотния непрекъснат лазер и изпомпващия лазер, като в крайна сметка го преобразува в раманов импулс, синхронизиран с изпомпващия лазер. В конвенционалните NOGM системи блокът за усилване на енергията на импулса на помпата и модулът за нелинейно оптично преобразуване на честотата са разделени: необходими са мултиплексори с висока-мощност с разделяне на дължината на вълната, за да свързват импулси с високо-енергия на помпа с едно-честотни непрекъснати лазерни семена; освен това снаждането чрез синтез на активни и пасивни влакна при условия на висока-мощност крие рискове за дългосрочната-стабилност на системата. Изследователският екип разработи нов хибриден усилвател с ултрабърз лазерен редкоземен-Raman усилвател. Чрез използване на итербий-легирани влакна за едновременно осигуряване на редкоземни-усилване и Раман усилване, той може да генерира Раманови импулси с единични-импулсни енергии в диапазона на микроджаула. Както е показано на фигура 1, диод с превключване на усилването генерира 1065 nm импулсен лазер с ширина на импулса от 18,3 ps, настроен на честота на повторение от 10 MHz, служейки като източник на помпа на системата. Полупроводников-честотен непрекъснат лазер с тясна-широчина на линията 1121 nm действа като източник на зародиш, като едновременно се въвежда в усилвателя с-итербий влакна.
Фигура 1 Схема на хибридна усилвателна система с ултрабърз влакнест лазер за редко{1}}земни Раман
Както е показано на фигура 2(a)-(d), единичната-импулсна енергия на 1121 nm Raman импулс може да бъде усилена до ~1 μJ, като ширината на импулса е компресирана до 589 fs. Максималната ефективност на Raman преобразуване достига 69,9%, а съотношението сигнал-към-шум на честотата на повторение на импулса достига 81,1 dB. Без непрекъснато лазерно инжектиране с една-честота характеристиките на 1121 nm Раманов импулс са показани в (e)-(h). При тези условия генерираният раманов импулс проявява характеристики, близки до -шум-с нестабилен интензитет на импулсната последователност и съотношение-честота на повторение-към-шум от 67,4 dB. Тези експериментални резултати потвърждават осъществимостта на редкоземно-Raman хибридно усилване NOGM и необходимостта от едно-честотно инжектиране на семена.
Фигура 2 Характеристики на рамановия импулсен лазер с (a)-(d) едно-честотно непрекъснато лазерно инжектиране и (e)-(h) без единично-честотно непрекъснато лазерно инжектиране
Едновременно с това, числените симулации моделираха еволюцията на импулса при условия на ширина на импулса на изпомпване от 60 ps и диаметър на сърцевината на рамановото влакно от 14,5 μm, както е показано на Фигура 3. Резултатите показват, че изходите на рамановия импулс в диапазона от 10 μJ могат да бъдат постигнати чрез използване на по-широки импулси на помпане и Раманови влакна с по-голям-ядро-диаметър.
Фигура 3 Резултати от симулация за ширина на импулса на помпата от 60 ps и диаметър на сърцевината на влакното от приблизително 14,5 μm
Това изследване демонстрира нов хибриден усилвател с итербиев -раманов лазер с ултрабързи влакна, постигащ ~1 μJ от 1121 nm изход на раманов лазер с ширина на импулса, компресируема до 589 fs. Допълнителни числени симулации разкриват, че използването на помпен лазер с по-широка ширина на импулса и влакно с по-голям диаметър на сърцевината може потенциално да постигне фемтосекундни изходи на Раманов импулс в диапазона от 10 μJ, което представлява ключов фокус за последващи изследвания. Този фемтосекунден раманов лазер с влакна, способен да генерира високо{7}}енергийни импулси при специфични дължини на вълната, предлага обещаваща поддръжка на технологията за източник на светлина за приложения като обработка на материали и биомедицински изображения.
