Láser pulsado de frecuencia de repetición ultra alta

Láser pulsado de frecuencia de repetición ultra alta

En el mundo microscópico de la interacción entre la luz y la materia, los pulsos de frecuencia de repetición ultra alta (UHRP) actúan como reglas precisas del tiempo: oscilan a más de mil millones de veces por segundo (1 GHz), capturando las huellas moleculares de las células cancerosas en imágenes espectrales, transportando grandes cantidades de datos en la comunicación por fibra óptica y calibrando las coordenadas de longitud de onda de las estrellas en los telescopios. Especialmente en el salto a la dimensión de detección del lidar, los láseres pulsados ​​de frecuencia de repetición ultra alta de terahercios (100-300 GHz) se están convirtiendo en herramientas poderosas para penetrar la capa de interferencia, remodelando los límites de la percepción tridimensional con la capacidad de manipulación espaciotemporal a nivel de fotones. Actualmente, el uso de microestructuras artificiales, como las 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 frecuencia de repetición ultra alta. Los científicos se centran en resolver los problemas de ingeniería relacionados con el procesamiento de estructuras ultrafinas, el ajuste de frecuencia durante la iniciación del pulso y la eficiencia de conversión tras su generación. 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 UHRP. Hasta el momento, aún necesitamos un "conformador 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 microring 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 de FWM, esta "ignición" se basa en las características de potencia máxima de los pulsos ultrarrápidos para excitar directamente el FWM y, tras la "desactivación de la ignición", lograr un UHRP autosostenible.

La Figura 1 ilustra el mecanismo central para lograr la autoorganización de pulsos basada en la excitación de pulsos semilla ultrarrápidos en cavidades de anillo de fibra disipativas. El pulso semilla ultracorto inyectado externamente (periodo T0, frecuencia de repetición F) actúa como la "fuente de ignición" para excitar un campo de pulso 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 la regulación conjunta en el dominio tiempo-frecuencia. Este proceso supera las limitaciones del bombeo continuo tradicional: el pulso semilla se desactiva cuando alcanza el umbral de FWM de disipación, y la cavidad de disipación mantiene el estado de autoorganización del pulso mediante el equilibrio dinámico de ganancia y pérdida, con una frecuencia de repetición de pulso Fs (que corresponde a la frecuencia intrínseca FF y al periodo T de la cavidad).

Este estudio también realizó una verificación teórica. Basándose en los parámetros adoptados en la configuración experimental y con un intervalo de 1 psláser de pulsos ultrarrápidosComo campo inicial, se realizó una simulación numérica del proceso de evolución del dominio temporal y la frecuencia del pulso dentro de la cavidad láser. Se encontró que el pulso pasó por tres etapas: división del pulso, oscilación periódica del pulso y distribución uniforme del pulso en toda la cavidad láser. Este resultado numérico también verifica completamente las características de autoorganización delláser pulsado.

Al activar el efecto de mezcla de cuatro ondas dentro de la cavidad de 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 ultra alta sub-THZ (salida estable de 0,5 W de potencia después de la desactivación de la semilla), proporcionando un nuevo tipo de fuente de luz para el campo lidar: su refrecuencia de nivel sub-THZ puede mejorar la resolución de la nube de puntos al 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 del lidar montado en vehículos hacia la miniaturización (basada en microfiltros MZI) y la detección de largo alcance (expansión 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.