Láser pulsado de frecuencia de repetición ultra alta
En el mundo microscópico de la interacción entre la luz y la materia, los pulsos de ultra alta frecuencia de repetición (UHRP) actúan como precisos instrumentos de medición del tiempo: oscilan a más de mil millones de veces por segundo (1 GHz), capturando las huellas moleculares de las células cancerosas en la imagen espectral, transportando enormes cantidades de datos en las comunicaciones por fibra óptica y calibrando las coordenadas de longitud de onda de las estrellas en telescopios. Especialmente en el salto cualitativo de la detección lidar, los láseres pulsados de terahercios de ultra alta frecuencia de repetición (100-300 GHz) se están convirtiendo en herramientas poderosas para penetrar la capa de interferencia, redefiniendo los límites de la percepción tridimensional con la capacidad de manipulación espaciotemporal a nivel de fotón. Actualmente, el uso de microestructuras artificiales, como cavidades de microranillo que requieren una precisión de procesamiento a nanoescala para generar mezcla de cuatro ondas (FWM), es uno de los principales métodos para obtener pulsos ópticos de ultra alta frecuencia de repetición. Los científicos se centran en resolver los problemas de ingeniería en el procesamiento de estructuras ultrafinas, el problema del ajuste de frecuencia durante la iniciación del pulso y el problema de la eficiencia de conversión tras la generación del pulso. Otro enfoque consiste en utilizar fibras altamente no lineales y aprovechar el efecto de inestabilidad de modulación o el efecto FWM dentro de la cavidad láser para excitar UHRPs. Hasta ahora, todavía necesitamos un modulador temporal más preciso.
El proceso de generación de UHRP mediante la inyección de pulsos ultrarrápidos para excitar el efecto FWM disipativo se describe como "ignición ultrarrápida". A diferencia del esquema de cavidad de microranillo artificial mencionado anteriormente, que requiere bombeo continuo, ajuste preciso de la desintonización para controlar la generación de pulsos y el uso de medios altamente no lineales para reducir el umbral del FWM, esta "ignición" se basa en las características de potencia pico de los pulsos ultrarrápidos para excitar directamente el FWM y, tras la "apagada de la ignición", lograr una UHRP autosostenida.
La Figura 1 ilustra el mecanismo principal para lograr la autoorganización de pulsos mediante la excitación con pulsos semilla ultrarrápidos de cavidades de anillo de fibra disipativas. El pulso semilla ultracorto inyectado externamente (periodo T0, frecuencia de repetición F) actúa como fuente de ignición para excitar un campo de pulsos de alta potencia dentro de la cavidad de disipación. El módulo de ganancia intracelular trabaja en sinergia con el conformador espectral para convertir la energía del pulso semilla en una respuesta espectral en forma de peine mediante regulación conjunta en el dominio tiempo-frecuencia. Este proceso supera las limitaciones del bombeo continuo tradicional: el pulso semilla se interrumpe al alcanzar el umbral de mezcla de cuatro ondas (FWM) de disipación, y la cavidad de disipación mantiene el estado de autoorganización del pulso mediante el equilibrio dinámico entre ganancia y pérdida, con una frecuencia de repetición de pulsos Fs (correspondiente a la frecuencia intrínseca FF y al periodo T de la cavidad).
Este estudio también llevó a cabo una verificación teórica. Se basó en los parámetros adoptados en la configuración experimental y con un tiempo de ejecución de 1 ps.láser de pulso ultrarrápidoComo campo inicial, se llevó a cabo una simulación numérica del proceso de evolución del dominio temporal y la frecuencia del pulso dentro de la cavidad láser. Se observó que el pulso atravesó tres etapas: división del pulso, oscilación periódica del pulso y distribución uniforme del pulso en toda la cavidad láser. Este resultado numérico también verifica plenamente las características de autoorganización del láser.láser pulsado.
Al activar el efecto de mezcla de cuatro ondas dentro de la cavidad del anillo de fibra disipativa mediante la ignición de pulsos semilla ultrarrápidos, se logró con éxito la generación y el mantenimiento autoorganizados de pulsos de frecuencia de repetición ultraalta sub-THZ (con una potencia de salida estable de 0,5 W tras la desconexión del pulso semilla), lo que proporciona un nuevo tipo de fuente de luz para el campo de los lidar: su refrecuenciación a nivel sub-THZ puede mejorar la resolución de la nube de puntos hasta el nivel milimétrico. La característica de autosostenimiento del pulso reduce significativamente el consumo de energía del sistema. La estructura totalmente de fibra garantiza un funcionamiento de alta estabilidad en la banda de seguridad ocular de 1,5 μm. De cara al futuro, se espera que esta tecnología impulse la evolución de los lidar montados en vehículos hacia la miniaturización (basada en microfiltros MZI) y la detección de largo alcance (aumento de potencia a > 1 W), y que se adapte aún más a los requisitos de percepción de entornos complejos mediante la ignición coordinada de múltiples longitudes de onda y la regulación inteligente.
Fecha de publicación: 8 de julio de 2025