Gepulseerde laser met ultrahoge herhalingsfrequentie
In de microscopische wereld van de interactie tussen licht en materie fungeren ultrahoge herhalingsfrequentiepulsen (UHRP's) als precieze tijdsmeters – ze oscilleren met meer dan een miljard keer per seconde (1 GHz), leggen de moleculaire vingerafdrukken van kankercellen vast in spectrale beeldvorming, transporteren enorme hoeveelheden data in optische vezelcommunicatie en kalibreren de golflengtecoördinaten van sterren in telescopen. Vooral in de sprong voorwaarts in de detectiedimensie van lidar worden terahertz ultrahoge herhalingsfrequentiepulsen (100-300 GHz) krachtige instrumenten om de interferentielaag te doorbreken en de grenzen van driedimensionale waarneming te herdefiniëren met de spatiotemporele manipulatiekracht op fotonniveau. Momenteel is het gebruik van kunstmatige microstructuren, zoals micro-ringholtes die een nauwkeurigheid op nanoschaal vereisen om viergolfmenging (FWM) te genereren, een van de belangrijkste methoden om optische pulsen met ultrahoge herhalingsfrequentie te verkrijgen. Wetenschappers richten zich op het oplossen van de technische problemen bij de verwerking van ultrafijne structuren, het frequentieafstemmingsprobleem tijdens pulsgeneratie en het conversie-efficiëntieprobleem na pulsgeneratie. Een andere benadering is het gebruik van sterk niet-lineaire vezels en het benutten van het modulatie-instabiliteitseffect of het FWM-effect binnen de laserholte om UHRP's op te wekken. Tot nu toe hebben we echter nog steeds een meer geavanceerde "tijdvormer" nodig.
Het proces van het genereren van UHRP door het injecteren van ultrasnelle pulsen om het dissipatieve FWM-effect op te wekken, wordt beschreven als "ultrasnelle ontsteking". In tegenstelling tot het bovengenoemde schema met kunstmatige microringholtes, dat continu pompen, nauwkeurige aanpassing van de detuning om de pulsgeneratie te regelen en het gebruik van sterk niet-lineaire media om de FWM-drempel te verlagen vereist, is deze "ontsteking" gebaseerd op de piekvermogenskarakteristieken van ultrasnelle pulsen om FWM direct op te wekken en na "uitschakeling van de ontsteking" een zelfonderhoudende UHRP te bereiken.
Figuur 1 illustreert het kernmechanisme voor het bereiken van puls-zelforganisatie op basis van ultrasnelle zaadpuls-excitatie van dissipatieve vezelringholtes. De extern geïnjecteerde ultrakorte zaadpuls (periode T0, herhalingsfrequentie F) dient als de "ontstekingsbron" om een krachtig pulsveld in de dissipatieve holte te exciteren. De intracellulaire versterkingsmodule werkt synergetisch samen met de spectrale vormgever om de energie van de zaadpuls om te zetten in een kamvormige spectrale respons door gezamenlijke regulering in het tijd-frequentiedomein. Dit proces doorbreekt de beperkingen van traditionele continue pomping: de zaadpuls stopt wanneer deze de dissipatieve FWM-drempel bereikt, en de dissipatieve holte handhaaft de zelforganiserende toestand van de puls door de dynamische balans tussen versterking en verlies, waarbij de pulsherhalingsfrequentie Fs is (overeenkomend met de intrinsieke frequentie FF en periode T van de holte).
In deze studie werd ook een theoretische verificatie uitgevoerd. Gebaseerd op de parameters die in de experimentele opstelling zijn gebruikt en met een stapgrootte van 1 ps.ultrasnelle pulslaserAls uitgangspunt werd een numerieke simulatie uitgevoerd van het evolutieproces van de puls in het tijdsdomein en de frequentie binnen de laserholte. Hieruit bleek dat de puls drie fasen doorloopt: pulssplitsing, periodieke oscillatie en uniforme verdeling van de puls over de gehele laserholte. Dit numerieke resultaat bevestigt tevens volledig de zelforganiserende eigenschappen van de laser.pulslaser.
Door het viergolfmengeffect in de dissipatieve vezelringholte te activeren via ultrasnelle zaadpulsontsteking, is de zelforganiserende generatie en instandhouding van sub-THZ pulsen met een ultrahoge herhalingsfrequentie (stabiele output van 0,5 W vermogen na het uitschakelen van de zaadpuls) succesvol gerealiseerd. Dit biedt een nieuw type lichtbron voor lidar-toepassingen: de sub-THZ-frequentie kan de resolutie van de puntenwolk verbeteren tot op millimeterniveau. De zelfonderhoudende pulsfunctie reduceert het energieverbruik van het systeem aanzienlijk. De volledig vezelstructuur garandeert een zeer stabiele werking in de oogveiligheidsband van 1,5 μm. Naar verwachting zal deze technologie de evolutie van op voertuigen gemonteerde lidar stimuleren richting miniaturisatie (gebaseerd op MZI-microfilters) en detectie over lange afstand (vermogensuitbreiding tot > 1 W), en verder inspelen op de waarnemingsvereisten van complexe omgevingen door middel van gecoördineerde ontsteking van meerdere golflengten en intelligente regeling.
Geplaatst op: 8 juli 2025