Niedawno zespół profesora Zhao Yonga z Northeastern University, adiunkta Wu Hana z Sichuan University, adiunkta Ma Rui z Shenzhen University i profesora Wang Zinana z University of Electronic Science and Technology of China nawiązał współpracę, aby nakreślić postęp w zakresie mechanizmu, charakterystyk i zastosowań sterowania widmowego losowych laserów światłowodowych. Kompleksowo przedstawili postęp badań losowych laserów światłowodowych o wysokiej czystości widmowej, wyjściu wąskopasmowym, elastycznym dostrajaniu długości fali i wyjściu wielodługościowym, krótko podsumowali zastosowanie losowych laserów światłowodowych opartych na sterowaniu widmowym i spojrzeli z nadzieją na perspektywy rozwoju, ścieżki badawcze i wyzwania, z jakimi mierzą się losowe lasery światłowodowe oparte na sterowaniu widmowym.
Jako nowy typ losowego lasera, losowy laser światłowodowy stał się gorącym punktem badawczym rozwijanym w ciągu ostatniej dekady. W porównaniu z tradycyjnymi laserami światłowodowymi ze stałymi strukturami wnęki rezonansowej, losowe lasery światłowodowe nie wymagają precyzyjnych struktur wnęki rezonansowej i mają większą swobodę projektowania strukturalnego. Losowe lasery światłowodowe mają zalety w zakresie wydajności konwersji, kierunkowości, kosztów itp. i mogą stanowić dobrą platformę do budowy różnych form wysokowydajnych laserów. W szczególności losowe lasery światłowodowe oparte na różnych ośrodkach wzmocnienia mają doskonałą elastyczność długości fali i mogą osiągnąć dowolną długość fali lasera w paśmie 1~2,1 µm. W ostatnich latach naukowcy przeprowadzili dogłębne badania teoretyczne i eksperymentalne nad charakterystyką widmową losowych laserów światłowodowych. Dzięki regulacji widmowej losowe lasery światłowodowe wykazują zdolność do wysokiej czystości widmowej, wąskiego pasma i wyjścia o wielu długościach fali. Ponadto losowe lasery światłowodowe, dzięki swoim unikalnym charakterystykom widmowym, mają szerokie perspektywy zastosowania w komunikacji światłowodowej, wykrywaniu światłowodowym, obrazowaniu bez zakłóceń, generowaniu supercontinuum, nieliniowej konwersji częstotliwości, źródłach pompujących laserowych w zakresie średniej podczerwieni i syntezie bezwładnościowej sterowanej laserowo (rysunek 1).
Podstawowe badania nad charakterystykami widmowymi losowych laserów światłowodowych
Aby teoretycznie opisać i przeanalizować charakterystyki widmowe losowych laserów światłowodowych i zbadać ich prawa fizyczne, badacze zaproponowali zależny od widma model równowagi stanu ustalonego mocy, nieliniowy model Schrödingera i model dynamiki fal, aby dokładnie ocenić moc wyjściową i proces zmian widmowych losowych laserów światłowodowych. W ostatnich latach badacze eksperymentalnie zbadali charakterystyki widmowe losowych laserów światłowodowych, wprowadzili replikację symetrii złamania do losowych laserów światłowodowych i wykorzystali metody analizy statystycznej oparte na teorii szkła spinowego, aby zbadać nieporządek i nieliniowe oddziaływania w losowych laserach światłowodowych.
Losowe lasery światłowodowe o doskonałej elastyczności długości fali
Korzystając z różnych mechanizmów wzmocnienia, w tym wzmocnienia efektu nieliniowego trzeciego rzędu (takiego jak wymuszone rozpraszanie Ramana i wymuszone rozpraszanie Brillouina) oraz wzmocnienia aktywnego domieszkowania jonami ziem rzadkich (takiego jak włókna aktywne domieszkowane iterbem, erbem, erbem/yterbem, bizmutem i tulem), losowe lasery światłowodowe mogą działać w paśmie 1-2.1µm. W losowych laserach światłowodowych wykorzystujących stałe pompy, łączenie strojonych filtrów lub zależnych od długości fali zwierciadeł punktowych i zmiana środkowej długości fali filtrów lub zwierciadeł punktowych może osiągnąć płaskie i wydajne strojenie długości fali w szerokim zakresie. Ponadto, poprzez wprowadzenie programowalnych pod względem długości fali zwierciadeł punktowych, widmo losowych laserów światłowodowych może być programowane i stale dostrajane zgodnie z zaprojektowanym kształtem widmowym. W szczególności w przypadku kaskadowych laserów światłowodowych Ramana opartych na szerokopasmowych zwierciadłach punktowych i sprzężeniu zwrotnym z rozpraszaniem wstecznym, długość fali lasera można ciągle dostrajać w dużym zakresie, bezpośrednio zmieniając długość fali pompującej i moc pompującą.
Kontrola widmowa losowych laserów światłowodowych
Kaskadowe losowe lasery włóknowe Ramana mają doskonałą elastyczność długości fali. Jednak podczas procesu konwersji kaskadowej resztkowe światło Stokesa niskiego rzędu spowoduje zmniejszenie czystości widmowej lasera. Przyjmując nowy typ stabilnego źródła pompującego w dziedzinie czasu (takiego jak niespójne szerokopasmowe pompowanie wzmocnionej emisji spontanicznej, pompowanie losowego lasera włóknowego domieszkowanego iterbem i pompowanie laserowe o pojedynczej częstotliwości i poszerzonej szerokości linii), naukowcy osiągnęli szereg kaskadowych losowych laserów włóknowych Ramana o wysokiej czystości widmowej. Z drugiej strony, przy dużej mocy pompującej, na którą wpływają nieliniowe efekty, takie jak mieszanie czterech fal i modulacja międzyfazowa we włóknie, wyjściowa szerokość pasma widmowego losowego lasera włóknowego z całkowicie otwartą wnęką jest na ogół rzędu kilku nanometrów. Aby sprostać potrzebom źródeł światła o wąskiej szerokości linii w scenariuszach takich jak wysokowydajne podwajanie częstotliwości lasera, pomiary o wysokiej precyzji i spójna komunikacja światłowodowa, wąskopasmowe losowe lasery światłowodowe można uzyskać poprzez dodanie różnych reflektorów punktowych o regulowanym kształcie widmowym i szerokości pasma do struktury lasera światłowodowego losowego z półotwartą wnęką lub poprzez użycie różnych mediów wzmacniających (takich jak rozpraszanie Brillouina wymuszone) i różnych włókien pasywnych (takich jak włókno utrzymujące polaryzację, włókno o wysokim rozpraszaniu) i optymalizację schematu pompowania. Ponadto, wyjście laserów światłowodowych losowych o wielu długościach fali można uzyskać poprzez dodanie elementów filtrujących widmo do lasera lub wykorzystanie kaskadowego wzmocnienia rozpraszania Brillouina wymuszonego.
Zastosowanie losowych laserów światłowodowych opartych na kontroli widmowej
Konstrukcja strukturalna i elastyczna konwersja długości fali losowych laserów światłowodowych sprawiają, że są one bardziej odpowiednie do realizacji laseringu laserowego w specjalnych pasmach, aby sprostać potrzebom zastosowań, takich jak rozproszone wzmacnianie sygnału, wykrywanie światłowodów o wysokim stosunku sygnału do szumu, nieliniowa konwersja częstotliwości i pompowanie w średniej podczerwieni. Jednocześnie, w porównaniu z laserami światłowodowymi opartymi na strukturach wnęki rezonansowej, spektralnie bezmodowe losowe lasery światłowodowe wykazały się lepszą stabilnością domeny czasu. Dlatego losowe lasery światłowodowe mają większe zalety w scenariuszach zastosowań z wysokimi wymaganiami dotyczącymi stabilności źródła laserowego. Ponadto niska spójność i sterowalność widmowa losowych laserów światłowodowych umożliwiają im wykazanie unikalnego potencjału zastosowań w obrazowaniu o wysokiej wydajności i fuzji inercyjnej z napędem laserowym.
