Ultrahitra laserska tehnologija z vlakni ustvarja ultrakratke laserske impulze femtosekundne ali pikosekundne -nivoje, ki ponujajo prednosti, kot so visoka kakovost žarka, izjemna stabilnost in kompaktna struktura. Najde obsežno uporabo v precizni obdelavi, biomedicinskih raziskavah, spektroskopiji in komunikacijah. Tradicionalni ultrahitri laserji z vlakni uporabljajo vlakna, dopirana z redko-zemljo-, kot ojačitveni medij, pri čemer uporabljajo več{5}}energijsko strukturo ionov redkih-zemelj za doseganje stimulirane emisije. Vendar pa je zaradi fiksnega razmika med nivoji energije in omejene spektralne širine prehodov ionov redkih{8}}zemelj laserski izhod omejen na diskretna spektralna območja, kar znatno omejuje obseg uporabe ultrahitrih vlaknenih laserjev. Razširitev izhodne valovne dolžine laserjev z ultra hitrimi vlakni izven obsega, ki ga pokrivajo ionski prehodi, ni samo naravni napredek v razvoju ultra hitre tehnologije, temveč obravnava tudi praktične zahteve v znanstvenih raziskavah, medicinskih aplikacijah, obrambi in drugih področjih.
Ultrahitri laserji z Ramanovim vlaknom predstavljajo učinkovito metodo za generiranje laserskih impulzov na določenih valovnih dolžinah. Trenutne običajne tehnike za ustvarjanje ultrahitrih Ramanovih laserjev vključujejo-zaklepanje načina, sinhrono črpanje in nelinearno optično modulacijo ojačanja (NOGM). Za-zaklepanje načina običajno uporablja neprekinjeno-črpanje valov, ki zahteva na desetine do stotine metrov vlaken, da se doseže zadostno ramansko ojačanje, kar ima za posledico resonatorje s precejšnjo disperzijo in nelinearnostjo. Sinhrono črpanje uporablja impulzno črpanje, ki učinkovito skrajša dolžino resonatorja. Vendar pa je potrebna sinhronizacija med impulzom črpalke in Ramanovim impulzom, kar povečuje kompleksnost sistema. Obe tehniki temeljita na vlaknenih resonatorskih strukturah, ki omejujejo izhodno Ramanovo impulzno energijo na območje nJ. V nasprotju s tem tehnologija NOGM uporablja eno-frekvenčno seme-konfiguracijo ojačevalnika z Ramanovim vlaknom, ki ustvarja visoko{11}}energijske Ramanove laserske impulze. Trenutno Ramanovi impulzi, proizvedeni s to tehniko, dosegajo območje na stotine nJ. Optimiziranje sistemske arhitekture za ustvarjanje Ramanovih impulzov z višjo{14}}energijo je ključni raziskovalni poudarek.
Ramanski hibridni ojačevalnik-Zemlje
Skupna raziskovalna skupina, ki jo sestavljata profesor Zhou Jiaqi iz oddelka za letalsko in vesoljsko lasersko tehnologijo in sisteme pri SIOM, Kitajska akademija znanosti, in profesor Feng Yan s šanghajskega naprednega raziskovalnega inštituta USTC, je združila tehnologijo NOGM z ojačevalniki vlaken, dopiranih z iterbijem-. Z izkoriščanjem mehanizma hibridnega ojačanja ionov redkih-zemelj in stimuliranega Ramanovega sipanja (SRS), doseganje ultra{3}}hitrega izhoda Ramanovega laserja pri valovni dolžini 1121 nm z zmožnostjo mikrofokalizacije, kjer je mogoče širino impulza stisniti na 589 fs.
V tipičnem sistemu NOGM eno-frekvenčni zvezni laser služi kot izvor semena, ojačan in oblikovan v enem samem vlaknu; ultra hiter laser deluje kot vir črpalke, ki zagotavlja nelinearno optično ojačanje prek SRS. Ojačanje se pojavi samo v območju časovnega prekrivanja med eno-frekvenčnim neprekinjenim laserjem in laserjem črpalke, ki ga na koncu pretvori v Ramanov impulz, sinhroniziran z laserjem črpalke. V običajnih sistemih NOGM sta enota za ojačanje energije impulza črpalke in enota za nelinearno optično pretvorbo frekvence ločeni: visoko-zmogljivi multipleksorji z delitvijo valovne dolžine so potrebni za združevanje visoko-energijskih impulzov črpalke z eno-frekvenčnimi zveznimi laserskimi semeni; poleg tega fuzijsko spajanje aktivnih in pasivnih vlaken v razmerah visoke-moči predstavlja tveganje za dolgoročno-stabilnost sistema. Raziskovalna skupina je razvila nov hibridni Ramanov ojačevalnik z ultrahitrim laserjem z redkimi{10}}zemlji. Z uporabo vlaken, dopiranih z iterbijem-za hkratno zagotavljanje ojačenja-redkih zemelj in Ramanovega ojačenja, lahko ustvari Ramanove impulze z eno-energijami impulzov v območju mikrodžulov. Kot je prikazano na sliki 1, dioda s preklopom ojačanja generira 1065 nm impulzni laser s širino impulza 18,3 ps, nastavljeno na hitrost ponavljanja 10 MHz, ki služi kot vir črpalke sistema. Polprevodniški eno-frekvenčni zvezni laser z ozko-linijo širine 1121 nm deluje kot začetni vir, ki je hkrati vhod v ojačevalnik vlaken, dopiran z iterbijem-.
Slika 1 Shema Ramanovega hibridnega ojačevalnega sistema z ultrahitrim laserjem iz redkih{1}}zemelj
Kot je prikazano na sliki 2(a)-(d), je mogoče eno-energijo impulza Ramanovega impulza 1121 nm ojačati na ~1 μJ, pri čemer je širina impulza stisnjena na 589 fs. Največja Ramanova učinkovitost pretvorbe doseže 69,9 %, razmerje med signalom-in-šumom med hitrostjo ponavljanja impulza pa 81,1 dB. Brez neprekinjenega laserskega vbrizgavanja z eno-frekvenčnostjo so značilnosti Ramanovega impulza 1121 nm prikazane v (e)-(h). Pod temi pogoji ima ustvarjeni Ramanov impulz lastnosti, ki so skoraj -šumu-, z nestabilno intenzivnostjo zaporedja impulzov in zmanjšano razmerje-hitrost ponavljanja-in-šuma 67,4 dB. Ti eksperimentalni rezultati potrjujejo izvedljivost ramanskega hibridnega pomnoževanja NOGM redkih{23}}zemelj in potrebo po-enofrekvenčnem vbrizgavanju semena.
Slika 2 Značilnosti Ramanovega impulznega laserja z (a)-(d) eno-enofrekvenčnim neprekinjenim laserskim vbrizgavanjem in (e)-(h) brez eno-enofrekvenčnega neprekinjenega laserskega vbrizgavanja
Hkrati so numerične simulacije modelirale razvoj impulza v pogojih širine impulza črpalke 60 ps in premera jedra Ramanovega vlakna 14,5 μm, kot je prikazano na sliki 3. Rezultati kažejo, da je mogoče izhode Ramanovega impulza v območju 10 μJ doseči z uporabo širših impulzov črpalke in Ramanovih vlaken z večjim-jedrom-premera.
Slika 3 Rezultati simulacije za širino impulza črpalke 60 ps in premer jedra vlakna približno 14,5 μm
Ta študija prikazuje nov hibridni ojačevalnik z iterbijevim-ramanskim laserjem z ultrahitrimi vlakni, ki dosega ~1 μJ izhodne moči Ramanovega laserja 1121 nm s širino impulza, stisljivo na 589 fs. Nadaljnje numerične simulacije razkrivajo, da bi uporaba laserja črpalke s širšo širino impulza in vlakna z večjim premerom jedra potencialno lahko dosegla izhode femtosekundnega Ramanovega impulza v območju 10 μJ, kar predstavlja ključni poudarek za nadaljnje raziskave. Ta femtosekundni laser z Ramanovim vlaknom, ki je sposoben generirati visoko-energijske impulze na določenih valovnih dolžinah, ponuja obetavno podporo tehnologiji svetlobnega vira za aplikacije, kot sta obdelava materialov in biomedicinsko slikanje.
