Laser pulsado de taxa de repetição ultra-alta

Laser pulsado de taxa de repetição ultra-alta

No mundo microscópico da interação entre luz e matéria, pulsos de taxa de repetição ultra-alta (UHRPs) atuam como réguas precisas do tempo – oscilam a mais de um bilhão de vezes por segundo (1 GHz), capturando as impressões digitais moleculares de células cancerígenas em imagens espectrais, transportando grandes quantidades de dados em comunicações por fibra óptica e calibrando as coordenadas de comprimento de onda de estrelas em telescópios. Especialmente com o salto na dimensão de detecção do lidar, lasers pulsados ​​de taxa de repetição ultra-alta em terahertz (100-300 GHz) estão se tornando ferramentas poderosas para penetrar a camada de interferência, remodelando os limites da percepção tridimensional com o poder de manipulação espaço-temporal em nível de fóton. Atualmente, o uso de microestruturas artificiais, como cavidades de microring que exigem precisão de processamento em nanoescala para gerar mistura de quatro ondas (FWM), é um dos principais métodos para obter pulsos ópticos de taxa de repetição ultra-alta. Os cientistas estão se concentrando em resolver os problemas de engenharia no processamento de estruturas ultrafinas, o problema de ajuste de frequência durante a iniciação do pulso e o problema de eficiência de conversão após a geração do pulso. Outra abordagem consiste em usar fibras altamente não lineares e aproveitar o efeito de instabilidade de modulação ou o efeito FWM dentro da cavidade do laser para excitar UHRPs. Até o momento, ainda precisamos de um "modelador de tempo" mais preciso.

O processo de geração de UHRP pela injeção de pulsos ultrarrápidos para excitar o efeito FWM dissipativo é descrito como “ignição ultrarrápida”. Diferentemente do esquema de cavidade de microrresonador artificial mencionado anteriormente, que requer bombeamento contínuo, ajuste preciso do desvio de frequência para controlar a geração de pulsos e uso de meios altamente não lineares para reduzir o limiar de FWM, essa “ignição” se baseia nas características de potência de pico dos pulsos ultrarrápidos para excitar diretamente o FWM e, após o “desligamento da ignição”, alcançar UHRP autossustentável.

A Figura 1 ilustra o mecanismo central para alcançar a auto-organização de pulsos com base na excitação ultrarrápida de cavidades de anel de fibra dissipativas por pulsos de semente. O pulso de semente ultracurto injetado externamente (período T0, frequência de repetição F) serve como a “fonte de ignição” para excitar um campo de pulso de alta potência dentro da cavidade de dissipação. O módulo de ganho intracelular trabalha em sinergia com o modelador espectral para converter a energia do pulso de semente em uma resposta espectral em forma de pente por meio da regulação conjunta no domínio tempo-frequência. Esse processo supera as limitações do bombeamento contínuo tradicional: o pulso de semente é interrompido quando atinge o limiar de FWM da cavidade de dissipação, e a cavidade de dissipação mantém o estado de auto-organização do pulso por meio do equilíbrio dinâmico entre ganho e perda, com a frequência de repetição do pulso sendo Fs (correspondente à frequência intrínseca FF e ao período T da cavidade).

Este estudo também realizou verificação teórica. Com base nos parâmetros adotados na configuração experimental e com um tempo de resposta de 1 ps, foi possível determinar a resolução espacial.laser de pulso ultrarrápidoComo campo inicial, foi realizada uma simulação numérica do processo de evolução do domínio temporal e da frequência do pulso dentro da cavidade do laser. Constatou-se que o pulso passou por três estágios: divisão do pulso, oscilação periódica do pulso e distribuição uniforme do pulso por toda a cavidade do laser. Esse resultado numérico também verifica plenamente as características de auto-organização dolaser pulsado.

Ao ativar o efeito de mistura de quatro ondas dentro da cavidade do anel de fibra dissipativa por meio da ignição de pulsos de semente ultrarrápidos, a geração e manutenção auto-organizadas de pulsos de frequência de repetição ultra-alta em sub-THZ (saída estável de 0,5 W de potência após o desligamento do pulso de semente) foram alcançadas com sucesso, fornecendo um novo tipo de fonte de luz para o campo do lidar: sua frequência em nível sub-THZ pode aumentar a resolução da nuvem de pontos para o nível milimétrico. O recurso de autossustentação do pulso reduz significativamente o consumo de energia do sistema. A estrutura totalmente em fibra garante alta estabilidade de operação na faixa de segurança ocular de 1,5 μm. Olhando para o futuro, espera-se que essa tecnologia impulsione a evolução do lidar veicular em direção à miniaturização (com base em microfiltros MZI) e à detecção de longo alcance (expansão de potência para > 1 W), e se adapte ainda mais aos requisitos de percepção de ambientes complexos por meio de ignição coordenada em múltiplos comprimentos de onda e regulação inteligente.