Nedavno je tim profesora Zhao Yonga sa Sveučilišta Northeastern, suradnika istraživača Wu Hana sa Sveučilišta Sichuan, suradnika istraživača Ma Ruija sa Sveučilišta Shenzhen i profesora Wang Zinana sa Sveučilišta elektroničke znanosti i tehnologije Kine surađivao kako bi ocrtao granični napredak u mehanizam, karakteristike i primjene spektralne kontrole lasera s nasumičnim vlaknima. Sveobuhvatno su predstavili napredak istraživanja lasera s nasumičnim vlaknima s visokom spektralnom čistoćom, uskopojasnim izlazom, fleksibilnim podešavanjem valne duljine i izlazom s više valnih duljina, ukratko su saželi primjenu lasera s nasumičnim vlaknima temeljenu na spektralnoj kontroli i veselili se razvojnim izgledima, istraživanjima stazama i izazovima s kojima se suočavaju laseri s nasumičnim vlaknima temeljeni na spektralnoj kontroli.
Kao nova vrsta nasumičnog lasera, nasumični laser s vlaknima bio je žarište istraživanja razvijen u proteklom desetljeću. U usporedbi s tradicionalnim vlaknastim laserima s fiksnom strukturom rezonantne šupljine, laseri s nasumičnim vlaknima ne zahtijevaju precizne strukture rezonantne šupljine i imaju veću strukturnu slobodu dizajna. Laseri s nasumičnim vlaknima imaju prednosti u učinkovitosti pretvorbe, usmjerenosti, cijeni itd. i mogu pružiti dobru platformu za konstrukciju različitih oblika lasera visokih performansi. Konkretno, laseri s nasumičnim vlaknima koji se temelje na različitim medijima za pojačanje imaju izvrsnu fleksibilnost valne duljine i mogu postići proizvoljno lasersko generiranje valne duljine u pojasu od 1~2,1 µm. Posljednjih godina istraživači su proveli dubinska teorijska i eksperimentalna istraživanja spektralnih karakteristika lasera s nasumičnim vlaknima. Kroz spektralnu regulaciju, laseri s nasumičnim vlaknima pokazuju sposobnost visoke spektralne čistoće, uskog pojasa i izlaza s više valnih duljina. Osim toga, laseri s nasumičnim vlaknima, sa svojim jedinstvenim spektralnim karakteristikama, imaju široke izglede za primjenu u optičkim komunikacijama, senzorima optičkih vlakana, slikanju bez pjega, stvaranju superkontinuuma, nelinearnoj pretvorbi frekvencije, izvorima laserske pumpe srednjeg infracrvenog zračenja i laserskim pogonska inercijalna zatvorena fuzija (slika 1).
Temeljna istraživanja spektralnih karakteristika lasera sa slučajnim vlaknima
Kako bi teoretski opisali i analizirali spektralne karakteristike lasera s nasumičnim vlaknima i istražili njihove fizikalne zakone, istraživači su predložili model stacionarne ravnoteže ovisan o snazi, nelinearni Schrödingerov model i model valne dinamike za točnu procjenu izlazne snage i proces spektralne promjene lasera s nasumičnim vlaknima. Posljednjih su godina istraživači eksperimentalno istraživali spektralne statističke karakteristike lasera s nasumičnim vlaknima, uveli repliku probijanja simetrije u lasere s nasumičnim vlaknima i koristili metode statističke analize temeljene na teoriji spinskog stakla kako bi istražili nered i nelinearne interakcije u laserima s nasumičnim vlaknima.
Laseri s nasumičnim vlaknima s izvrsnom fleksibilnošću valne duljine
Iskorištavanje različitih mehanizama pojačanja, uključujući povećanje nelinearnog učinka trećeg reda (kao što je stimulirano Ramanovo raspršenje i stimulirano Brillouinovo raspršenje) i aktivno pojačanje dopiranjem iona rijetkih zemalja (kao što je iterbij-, erbij-, erbij/iterbij-, bizmut- i aktivna vlakna dopirana tulijem), laseri s nasumičnim vlaknima mogu raditi u pojasu 1-2.1µm. U laserima s nasumičnim vlaknima koji koriste fiksne pumpe, kombiniranjem podesivih filtara ili točkastih zrcala ovisnih o valnoj duljini i promjenom središnje valne duljine filtara ili točkastih zrcala može se postići ravno i učinkovito ugađanje valne duljine u širokom rasponu. Osim toga, uvođenjem točkastih zrcala koja se mogu programirati valne duljine, spektar lasera s nasumičnim vlaknima može se programirati i kontinuirano podešavati prema dizajniranom spektralnom obliku. Konkretno, za lasere s kaskadnim nasumičnim Ramanovim vlaknima koji se temelje na širokopojasnim točkastim zrcalima i povratnoj sprezi raspršenja unatrag, valna duljina lasera može se kontinuirano podešavati u velikom rasponu izravnom promjenom valne duljine pumpe i snage pumpe.
Spektralna kontrola nasumičnih vlaknastih lasera
Kaskadno nasumični laseri s Ramanovim vlaknima imaju izvrsnu fleksibilnost valne duljine. Međutim, tijekom procesa kaskadne pretvorbe, preostalo Stokesovo svjetlo niskog reda uzrokovat će smanjenje spektralne čistoće lasera. Usvajanjem nove vrste izvora stabilne pumpe u vremenskoj domeni (kao što je nekoherentno širokopojasno pojačano pumpanje spontane emisije, lasersko pumpanje nasumičnih vlakana dopiranih iterbijem i jednofrekventno lasersko pumpanje proširene širine linije), istraživači su postigli niz kaskadnih nasumičnih Ramanovih vlakana laseri visoke spektralne čistoće. S druge strane, pod visokom snagom pumpe, pod utjecajem nelinearnih učinaka kao što su četverovalno miješanje i unakrsna fazna modulacija u vlaknu, izlazna spektralna širina pojasa nasumičnog optičkog lasera s potpuno otvorenom šupljinom općenito je reda veličine nekoliko nanometara. . Kako bi se zadovoljile potrebe izvora svjetlosti uske širine linije u scenarijima kao što su visokoučinkovito lasersko udvostručenje frekvencije, visokoprecizna mjerenja i koherentna vlaknasta komunikacija, uskopojasni nasumični optički laseri mogu se postići dodavanjem raznih točkastih reflektora s podesivim spektralnim oblika i širine pojasa do laserske strukture s nasumičnim vlaknima s poluotvorenom šupljinom ili upotrebom različitih medija za pojačanje (kao što je stimulirano Brillouinovo raspršenje) i različitih pasivnih vlakana (kao što su vlakna s održavanjem polarizacije, vlakna s visokim raspršenjem) i optimiziranjem pumpanja shema. Dodatno, izlaz više valnih duljina lasera s nasumičnim vlaknima može se postići dodavanjem elemenata za spektralno filtriranje laseru ili korištenjem kaskadnog stimuliranog Brillouinovog raspršenja.
Primjena nasumičnih vlaknastih lasera temeljenih na spektralnoj kontroli
Strukturni dizajn i fleksibilna pretvorba valne duljine lasera s nasumičnim vlaknima čine ih prikladnijima za realizaciju laserskog lasera u posebnim opsezima kako bi se zadovoljile potrebe aplikacija kao što su distribuirano pojačanje signala, detekcija vlakana visokog omjera signala i šuma, nelinearna pretvorba frekvencije i srednje infracrveno pumpanje. U isto vrijeme, u usporedbi s vlaknastim laserima temeljenim na rezonantnim šupljim strukturama, dokazano je da spektralno bezmodni nasumični optički laseri imaju bolju stabilnost u vremenskoj domeni. Stoga laseri s nasumičnim vlaknima imaju veće prednosti u scenarijima primjene s visokim zahtjevima za stabilnost laserskog izvora. Osim toga, niska koherencija i spektralna upravljivost lasera s nasumičnim vlaknima omogućuje im da pokažu jedinstveni potencijal primjene u slikanju visokih performansi i laserski vođenoj inercijskoj zatvorenoj fuziji.
