Gepulste laser met ultrahoge herhalingsfrequentie
In de microscopische wereld van de interactie tussen licht en materie fungeren pulsen met ultrahoge herhalingsfrequentie (UHRP's) als nauwkeurige tijdsbepalers – ze oscilleren met meer dan een miljard keer per seconde (1 GHz), leggen de moleculaire vingerafdrukken van kankercellen vast in spectrale beeldvorming, dragen enorme hoeveelheden data over via glasvezelcommunicatie en kalibreren de golflengtecoördinaten van sterren in telescopen. Vooral in de sprong naar de detectiedimensie van lidar worden terahertz-lasers met ultrahoge herhalingsfrequentie (100-300 GHz) krachtige instrumenten om de interferentielaag te penetreren en de grenzen van driedimensionale perceptie te verleggen met het spatiotemporele manipulatievermogen op fotonniveau. Momenteel is het gebruik van kunstmatige microstructuren, zoals microringholtes die nanoschaalse verwerkingsnauwkeurigheid 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 probleem van frequentieafstemming tijdens pulsinitiatie en het probleem van conversie-efficiëntie na pulsgeneratie. Een andere aanpak is het gebruik van zeer niet-lineaire vezels en het benutten van het modulatie-instabiliteitseffect of FWM-effect in de laserholte om UHRP's te exciteren. Tot nu toe hebben we nog steeds een handigere "tijdvormer" nodig.
Het proces van het genereren van UHRP door het injecteren van ultrasnelle pulsen om het dissipatieve FWM-effect te stimuleren, wordt beschreven als "ultrasnelle ontsteking". Anders dan het bovengenoemde kunstmatige microringholtesysteem, dat continu pompen, nauwkeurige afstelling 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" afhankelijk van de piekvermogenskarakteristieken van ultrasnelle pulsen om FWM direct te stimuleren en na "ontsteking uit" een zelfvoorzienende UHRP te bereiken.
Figuur 1 illustreert het kernmechanisme voor het bereiken van pulszelforganisatie op basis van ultrasnelle seedpulsexcitatie van dissipatieve vezelringholtes. De extern geïnjecteerde ultrakorte seedpuls (periode T0, herhalingsfrequentie F) dient als "ontstekingsbron" om een hoogvermogen pulsveld in de dissipatieholte te exciteren. De intracellulaire versterkingsmodule werkt in synergie met de spectrale shaper om de seedpulsenergie om te zetten in een kamvormige spectrale respons door gezamenlijke regulatie in het tijd-frequentiedomein. Dit proces doorbreekt de beperkingen van traditioneel continu pompen: de seedpuls wordt uitgeschakeld wanneer deze de dissipatie FWM-drempel bereikt, en de dissipatieholte handhaaft de zelforganiserende toestand van de puls door de dynamische balans van versterking en verlies, waarbij de pulsherhalingsfrequentie Fs is (overeenkomend met de intrinsieke frequentie FF en periode T van de holte).
Deze studie voerde ook een theoretische verificatie uit. Gebaseerd op de parameters die in de experimentele opstelling zijn gebruikt en met een 1psultrasnelle pulslaserAls eerste veld werd een numerieke simulatie uitgevoerd op het evolutieproces van het tijdsdomein en de frequentie van de puls in de laserholte. Er werd vastgesteld dat de puls drie fasen doorliep: pulssplitsing, periodieke pulsoscillatie en uniforme pulsverdeling over de gehele laserholte. Dit numerieke resultaat bevestigt ook volledig de zelforganiserende eigenschappen van depulslaser.
Door het activeren van het vier-golfmengeffect in de dissipatieve vezelringholte door middel van ultrasnelle seedpulsontsteking, werd de zelforganiserende generatie en instandhouding van sub-THZ ultrahoge herhalingsfrequentiepulsen (stabiele output van 0,5 W vermogen na uitschakeling van de seed) succesvol bereikt, wat een nieuw type lichtbron voor het lidarveld opleverde: de sub-THZ-frequentie kan de resolutie van de puntenwolk verbeteren tot op de millimeter. De pulszelfonderhoudende functie verlaagt het energieverbruik van het systeem aanzienlijk. De volledig vezelstructuur garandeert een zeer stabiele werking in de oogveiligheidsband van 1,5 μm. Met het oog op de toekomst wordt verwacht dat deze technologie de evolutie van op voertuigen gemonteerde lidar naar miniaturisatie (gebaseerd op MZI-microfilters) en detectie op lange afstand (vermogensuitbreiding tot > 1 W) zal stimuleren en zich verder zal aanpassen aan de perceptievereisten van complexe omgevingen door middel van gecoördineerde ontsteking over meerdere golflengten en intelligente regeling.
Plaatsingstijd: 08-07-2025