Ultrabrza laserska tehnologija sa vlaknima generiše ultrakratke laserske impulse femtosekundnog ili pikosekundnog-nivoa, nudeći prednosti kao što su visok kvalitet zraka, izuzetna stabilnost i kompaktna struktura. Nalazi široku primjenu u preciznoj obradi, biomedicinskim istraživanjima, spektroskopiji i komunikacijama. Tradicionalni ultrabrzi laseri sa vlaknima koriste vlakna dopirana rijetkim-zemljama-kao medij za pojačanje, koristeći više{5}}energetsku strukturu rijetkih-jona zemlje za postizanje stimulirane emisije. Međutim, zbog fiksnog razmaka nivoa energije i ograničene spektralne širine prijelaza jona rijetke{8}}rijetke zemlje, laserski izlaz je ograničen na diskretne spektralne opsege, značajno ograničavajući opseg primjene ultrabrzih lasera s vlaknima. Proširivanje izlazne talasne dužine ultrabrzih lasera sa vlaknima izvan opsega pokrivenog jonskim prelazima nije samo prirodan napredak u razvoju ultrabrze tehnologije, već se bavi i praktičnim zahtevima u naučnim istraživanjima, medicinskim primenama, odbrani i drugim poljima.
Ultrabrzi laseri sa Ramanovim vlaknima predstavljaju efikasan metod za generisanje laserskih impulsa na određenim talasnim dužinama. Trenutne glavne tehnike za generiranje ultrabrzih Raman lasera uključuju mod-zaključavanje, sinhrono pumpanje i nelinearnu optičku modulaciju pojačanja (NOGM). Mod-zaključavanje obično koristi kontinuirano-talasno pumpanje, koje zahtijeva desetine do stotine metara vlakana da bi se postiglo dovoljno Ramanovo pojačanje, što rezultira rezonatorima sa značajnom disperzijom i nelinearnošću. Sinhrono pumpanje koristi pulsno pumpanje, efektivno skraćujući dužinu rezonatora. Međutim, potrebna je sinhronizacija između impulsa pumpe i Ramanovog impulsa, povećavajući složenost sistema. Obje tehnike se oslanjaju na vlaknaste rezonatorske strukture, ograničavajući izlaznu energiju Ramanovog impulsa na opseg nJ. Za razliku od toga, NOGM tehnologija koristi konfiguraciju pojačala sa jednim-sjemenom frekvencije-ubrizganim Ramanovim vlaknima za generiranje visoko{11}}energijskih Raman laserskih impulsa. Trenutno, Ramanovi impulsi proizvedeni ovom tehnikom dosežu raspon stotina nJ. Optimizacija arhitekture sistema za generiranje-energijskih Raman impulsa je ključni fokus istraživanja.
Rare-Ramanovo hibridno pojačalo
Zajednički istraživački tim koji se sastoji od profesora Zhou Jiaqija iz Odsjeka za lasersku tehnologiju i sisteme u svemiru na SIOM-u, Kineske akademije nauka, i profesora Feng Yana sa Šangajskog instituta za napredna istraživanja USTC, kombinirao je NOGM tehnologiju sa iterbijem{0}}dopiranim vlaknima. Koristeći hibridni mehanizam pojačanja rijetkih-jona i stimuliranog Ramanovog raspršenja (SRS), postižući ultra-brz izlaz Raman lasera na talasnoj dužini od 1121 nm sa sposobnošću mikrofokalizacije, gdje se širina impulsa može komprimirati na 589 fs.
U tipičnom NOGM sistemu, jedno-kontinualni laser s jednom frekvencijom služi kao izvor sjemena, pojačan i oblikovan unutar jednog vlakna; ultrabrzi laser deluje kao izvor pumpe, obezbeđujući nelinearno optičko pojačanje preko SRS. Pojačavanje se dešava samo u oblasti vremenskog preklapanja između jednofrekventnog kontinuiranog lasera i lasera pumpe, što ga na kraju pretvara u Raman impuls sinhronizovan sa laserom sa pumpom. U konvencionalnim NOGM sistemima, jedinica za pojačavanje energije impulsa pumpe i jedinica za nelinearnu optičku konverziju frekvencije su razdvojeni: potrebni su multiplekseri velike-podjele talasne dužine za spajanje visoko{5}}energetskih impulsa pumpe sa jednom-kontinualnim laserskim sjemenom jedne frekvencije; štaviše, fuziono spajanje aktivnih i pasivnih vlakana u uslovima velike-snage predstavlja rizik po dugoročnu-stabilnost sistema. Istraživački tim je razvio novo ultrabrzo lasersko-ramanovo hibridno pojačalo sa rijetkom zemljom. Koristeći vlakna dopirana iterbijem{12}da istovremeno obezbjeđuje pojačanje rijetke{13}}zemlje i Ramanovo pojačanje, može generirati Raman impulse sa pojedinačnim-energijama impulsa u rasponu mikrodžula. Kao što je prikazano na slici 1, dioda za preklapanje pojačanja{17}}generira impulsni laser od 1065 nm sa širinom impulsa od 18,3 ps, postavljenom na stopu ponavljanja od 10 MHz, koja služi kao izvor pumpe sistema. Uski-1121 nm poluprovodnički jednofrekventni kontinuirani laser sa širinom linije od 1121 nm djeluje kao izvor sjemena, istovremeno ulazeći u pojačalo s vlaknima dopiranim iterbijem{25}}.
Slika 1 Šematski prikaz ultrabrzog laserskog laserskog ramanskog hibridnog sistema{1}}
Kao što je prikazano na slici 2(a)-(d), energija jednog- impulsa Ramanovog impulsa od 1121 nm može se pojačati na ~1 μJ, sa širinom impulsa kompresovanom na 589 fs. Maksimalna efikasnost Raman konverzije dostiže 69,9%, a odnos signala -prema -šumu brzine ponavljanja impulsa dostiže 81,1 dB. Bez jedno-kontinualnog laserskog ubrizgavanja, karakteristike Ramanovog impulsa od 1121 nm prikazane su u (e)-(h). Pod ovim uslovima, generisani Raman puls pokazuje karakteristike slične -šumu-, sa nestabilnim intenzitetom sekvence impulsa i smanjenim{18}}odnosom signala{18}}stope ponavljanja- prema{20}}šumu od 67,4 dB. Ovi eksperimentalni rezultati potvrđuju izvodljivost NOGM hibridne amplifikacije rijetke{23}}zemlje Raman i neophodnost jednofrekventnog ubrizgavanja sjemena.
Slika 2 Karakteristike Raman pulsnog lasera sa (a)-(d) jednostrukim-kontinualnim laserskim ubrizgavanjem i (e)-(h) bez jedno-kontinualnog laserskog ubrizgavanja
Istovremeno, numeričke simulacije su modelirale evoluciju impulsa u uslovima širine impulsa pumpe od 60 ps i prečnika jezgre Ramanovog vlakna od 14,5 μm, kao što je prikazano na slici 3. Rezultati pokazuju da se izlaz Raman impulsa u opsegu od 10 μJ može postići korišćenjem širih impulsa pumpe}}} većeg prečnika Ramanovog vlakna
Slika 3 Rezultati simulacije za širinu impulsa pumpe od 60 ps i prečnik jezgre vlakna od približno 14,5 μm
Ova studija pokazuje novi ultrabrzi laserski iterbijum-Raman hibridni pojačavač, koji postiže ~1 μJ od 1121 nm Raman laserskog izlaza sa širinom impulsa kompresibilnom na 589 fs. Daljnje numeričke simulacije otkrivaju da bi korištenje lasera pumpe sa širom širinom impulsa i vlaknom većeg prečnika jezgre potencijalno moglo postići femtosekundne Raman impulsne izlaze u rasponu od 10 μJ, što predstavlja ključni fokus za naredna istraživanja. Ovaj femtosekundni Raman laser sa vlaknima, sposoban da generiše visoko{7}}energetske impulse na određenim talasnim dužinama, nudi obećavajuću podršku tehnologije izvora svetlosti za aplikacije kao što su obrada materijala i biomedicinsko snimanje.
