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 a frequenza di ripetizione ultraelevata (UHRP) agiscono come precisi righelli del tempo: oscillano a più di 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. In particolare, con il salto dimensionale del lidar, i laser pulsati a frequenza di ripetizione ultraelevata nella banda dei terahertz (100-300 GHz) stanno diventando potenti strumenti per penetrare lo strato di interferenza, rimodellando i confini della percezione tridimensionale con la capacità di manipolazione spazio-temporale a livello fotonico. Attualmente, l'utilizzo di microstrutture artificiali, come le microcavità ad anello che richiedono una precisione di lavorazione su scala nanometrica per generare la miscelazione a quattro onde (FWM), è uno dei metodi principali per ottenere impulsi ottici a frequenza di ripetizione ultraelevata. Gli scienziati si stanno concentrando sulla risoluzione dei problemi ingegneristici relativi alla lavorazione di strutture ultrafini, al problema della sintonizzazione della frequenza durante l'innesco dell'impulso e al 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 l'effetto FWM all'interno della cavità laser per eccitare gli UHRP. Finora, abbiamo ancora bisogno di un "modellatore temporale" più preciso.

Il processo di generazione di UHRP mediante l'iniezione di impulsi ultrarapidi per eccitare l'effetto FWM dissipativo è descritto come "accensione ultrarapida". A differenza del suddetto schema di cavità a microring artificiale che richiede pompaggio continuo, regolazione precisa del detuning per controllare la generazione degli impulsi e utilizzo di mezzi altamente non lineari per abbassare la soglia FWM, questa "accensione" si basa sulle caratteristiche di potenza di picco degli impulsi ultrarapidi per eccitare direttamente la FWM e, dopo lo "spegnimento dell'accensione", consente di ottenere un UHRP autosostenuto.

La Figura 1 illustra il meccanismo principale per ottenere l'auto-organizzazione dell'impulso basata sull'eccitazione di cavità ad anello di fibre dissipative mediante impulsi di seed ultrarapidi. L'impulso di seed ultracorto iniettato esternamente (periodo T0, frequenza di ripetizione F) funge da "sorgente di innesco" per eccitare un campo di impulsi ad alta potenza all'interno della cavità di dissipazione. Il modulo di guadagno intracellulare lavora in sinergia con il modellatore spettrale per convertire l'energia dell'impulso di 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 di seed si interrompe quando raggiunge la soglia FWM di dissipazione e la cavità di dissipazione mantiene lo stato di auto-organizzazione dell'impulso attraverso l'equilibrio dinamico tra guadagno e perdita, con una frequenza di ripetizione dell'impulso pari a Fs (corrispondente alla frequenza intrinseca FF e al periodo T della cavità).

Questo studio ha condotto anche una verifica teorica. Basandosi sui parametri adottati nella configurazione sperimentale e con un 1pslaser a impulsi ultrarapidicome campo iniziale, è stata eseguita una simulazione numerica sul processo di evoluzione del dominio temporale e della frequenza dell'impulso all'interno della cavità laser. Si è scoperto che l'impulso ha attraversato 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 dellaser a impulsi.

Attivando l'effetto di miscelazione a quattro onde all'interno della cavità ad anello dissipativo in fibra tramite l'accensione ultraveloce dell'impulso di seed, è stata ottenuta con successo la generazione e il mantenimento auto-organizzati di impulsi ad altissima frequenza di ripetizione sub-THZ (potenza di uscita stabile di 0,5 W dopo lo spegnimento del seed), fornendo un nuovo tipo di sorgente luminosa per il campo lidar: la sua frequenza a livello sub-THZ può migliorare la risoluzione della nuvola di punti fino al livello millimetrico. La caratteristica di auto-sostentamento dell'impulso 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 del lidar montato su veicoli verso la miniaturizzazione (basata su microfiltri MZI) e il rilevamento a lungo raggio (espansione della 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.