Laser pulsato ad altissima frequenza di ripetizione

Laser pulsato ad altissima frequenza di ripetizione

Nel mondo microscopico dell'interazione tra luce e materia, gli impulsi ad altissima frequenza di ripetizione (UHRP) agiscono come precisi regolatori del tempo: oscillano a oltre un miliardo di volte al secondo (1 GHz), catturando le impronte molecolari delle cellule tumorali nell'imaging spettrale, trasportando enormi quantità di dati nelle comunicazioni in fibra ottica e calibrando le coordinate di lunghezza d'onda delle stelle nei telescopi. Soprattutto nel balzo in avanti della dimensione di rilevamento del lidar, i laser pulsati ad altissima frequenza di ripetizione (100-300 GHz) stanno diventando potenti strumenti per penetrare lo strato di interferenza, rimodellando i confini della percezione tridimensionale con il potere di manipolazione spaziotemporale a livello di fotoni. Attualmente, l'utilizzo di microstrutture artificiali, come le cavità a micro-anello che richiedono un'accuratezza di elaborazione su scala nanometrica per generare la miscelazione a quattro onde (FWM), è uno dei metodi principali per ottenere impulsi ottici ad altissima frequenza di ripetizione. Gli scienziati si stanno concentrando sulla risoluzione dei problemi ingegneristici nell'elaborazione di strutture ultrafini, sul problema della sintonizzazione della frequenza durante l'inizio dell'impulso e sul problema dell'efficienza di conversione dopo la generazione dell'impulso. Un altro approccio consiste nell'utilizzare fibre altamente non lineari e sfruttare l'effetto di instabilità di modulazione o effetto FWM all'interno della cavità laser per eccitare le UHRP. Al momento, abbiamo ancora bisogno di un "time shaper" più abile.

Il processo di generazione di UHRP mediante l'iniezione di impulsi ultraveloci per eccitare l'effetto dissipativo FWM è descritto come "accensione ultraveloce". A differenza dello schema di cavità a microanello artificiale sopra menzionato, che richiede un pompaggio continuo, una regolazione precisa del detuning per controllare la generazione di impulsi e l'uso di mezzi altamente non lineari per abbassare la soglia FWM, questa "accensione" si basa sulle caratteristiche di potenza di picco degli impulsi ultraveloci per eccitare direttamente FWM e, dopo lo "spegnimento dell'accensione", ottenere UHRP autosufficiente.

La Figura 1 illustra il meccanismo principale per ottenere l'auto-organizzazione dell'impulso basato sull'eccitazione ultraveloce dell'impulso seed delle cavità ad anello di fibre dissipative. L'impulso seed ultrabreve iniettato esternamente (periodo T0, frequenza di ripetizione F) funge da "sorgente di accensione" per eccitare un campo di impulsi ad alta potenza all'interno della cavità di dissipazione. Il modulo di guadagno intracellulare lavora in sinergia con lo spectral shaper per convertire l'energia dell'impulso seed in una risposta spettrale a pettine attraverso una regolazione congiunta nel dominio tempo-frequenza. Questo processo supera i limiti del pompaggio continuo tradizionale: l'impulso seed si interrompe quando raggiunge la soglia di dissipazione FWM e la cavità di dissipazione mantiene lo stato di auto-organizzazione dell'impulso attraverso l'equilibrio dinamico di guadagno e perdita, con la frequenza di ripetizione dell'impulso pari a Fs (corrispondente alla frequenza intrinseca FF e al periodo T della cavità).

Questo studio ha anche condotto una verifica teorica. Sulla base dei parametri adottati nell'impostazione sperimentale e con un'analisi di 1pslaser a impulsi ultravelociCome campo iniziale, è stata eseguita una simulazione numerica sul processo di evoluzione del dominio del tempo e della frequenza dell'impulso all'interno della cavità laser. Si è scoperto che l'impulso attraversava tre fasi: divisione dell'impulso, oscillazione periodica dell'impulso e distribuzione uniforme dell'impulso in tutta la cavità laser. Questo risultato numerico verifica anche pienamente le caratteristiche di auto-organizzazione dell'impulso.laser a impulsi.

Attivando l'effetto di miscelazione a quattro onde all'interno della cavità dissipativa ad anello in fibra attraverso l'accensione ultraveloce dell'impulso seed, è stata ottenuta con successo la generazione e il mantenimento auto-organizzati di impulsi a frequenza di ripetizione ultraelevata sub-THZ (uscita stabile di 0,5 W di potenza dopo lo spegnimento del seed), fornendo un nuovo tipo di sorgente luminosa per il campo lidar: la sua refrequenza di livello sub-THZ può migliorare la risoluzione della nuvola di punti a livello millimetrico. La funzione di auto-sostentamento degli impulsi riduce significativamente il consumo energetico del sistema. La struttura interamente in fibra garantisce un funzionamento ad alta stabilità nella banda di sicurezza oculare di 1,5 μm. Guardando al futuro, si prevede che questa tecnologia guiderà l'evoluzione dei lidar montati sui veicoli verso la miniaturizzazione (basata su microfiltri MZI) e il rilevamento a lungo raggio (espansione di potenza a > 1 W), e si adatterà ulteriormente ai requisiti di percezione di ambienti complessi attraverso l'accensione coordinata multi-lunghezza d'onda e la regolazione intelligente.