La tecnologia laser a fibra ultraveloce genera impulsi laser ultracorti a livello di femtosecondi o picosecondi-, offrendo vantaggi quali qualità del fascio abbagliante, stabilità eccezionale e struttura compatta. Trova ampie applicazioni nell'elaborazione di precisione, nella ricerca biomedica, nella spettroscopia e nelle comunicazioni. I tradizionali laser a fibra ultraveloci impiegano fibre drogate di-terre rare-come mezzo di guadagno, utilizzando la struttura energetica multi-livello degli ioni di terre rare-per ottenere l'emissione stimolata. Tuttavia, a causa della spaziatura fissa dei livelli di energia e dell'ampiezza spettrale limitata delle transizioni degli ioni delle terre rare-, l'emissione del laser è confinata in intervalli spettrali discreti, limitando significativamente l'ambito di applicazione dei laser a fibra ultraveloci. L’estensione della lunghezza d’onda di uscita dei laser a fibra ultraveloci oltre l’intervallo coperto dalle transizioni ioniche non è solo una progressione naturale nello sviluppo della tecnologia ultraveloce, ma risponde anche alle esigenze pratiche della ricerca scientifica, delle applicazioni mediche, della difesa e di altri campi.
I laser a fibra Raman ultraveloci rappresentano un metodo efficace per generare impulsi laser a lunghezze d'onda specifiche. Le attuali tecniche tradizionali per la generazione di laser Raman ultraveloci includono il mode-locking, il pompaggio sincrono e la modulazione del guadagno ottico non lineare (NOGM). Il blocco della modalità-in genere utilizza il pompaggio di onde-continue, che richiedono decine o centinaia di metri di fibra per ottenere un guadagno Raman sufficiente, risultando in risonatori con dispersione e nonlinearità significative. Il pompaggio sincrono utilizza il pompaggio a impulsi, riducendo efficacemente la lunghezza del risonatore. Tuttavia, richiede la sincronizzazione tra l'impulso della pompa e l'impulso Raman, aumentando la complessità del sistema. Entrambe le tecniche si basano su strutture di risonatore in fibra, limitando l'energia dell'impulso Raman in uscita all'intervallo nJ. Al contrario, la tecnologia NOGM utilizza una configurazione di amplificatore in fibra Raman a singola-frequenza seed-iniettata per generare impulsi laser Raman ad alta-energia. Attualmente, gli impulsi Raman prodotti utilizzando questa tecnica raggiungono la gamma delle centinaia di nJ. L'ottimizzazione dell'architettura del sistema per generare impulsi Raman-a energia più elevata è un obiettivo chiave della ricerca.
Raro amplificatore ibrido-Raman con terra
Un gruppo di ricerca congiunto composto dal professor Zhou Jiaqi del dipartimento di tecnologia e sistemi laser aerospaziali dell'Accademia cinese delle scienze SIOM e dal professor Feng Yan dello Shanghai Advanced Research Institute dell'USTC, ha combinato la tecnologia NOGM con amplificatori in fibra drogata con itterbio-. Sfruttando il meccanismo di amplificazione ibrido degli ioni delle terre rare-e dello scattering Raman stimolato (SRS), si ottiene un'uscita laser Raman ultra-veloce alla lunghezza d'onda di 1121 nm con capacità di microfocalizzazione, dove l'ampiezza dell'impulso può essere compressa a 589 fs.
In un tipico sistema NOGM, un laser continuo a singola-frequenza funge da sorgente seme, amplificato e modellato all'interno di una singola fibra; un laser ultraveloce funge da sorgente di pompa, fornendo guadagno ottico non lineare tramite SRS. L'amplificazione avviene solo nella regione di sovrapposizione temporale tra il laser continuo a singola-frequenza e il laser della pompa, convertendolo infine in un impulso Raman sincronizzato con il laser della pompa. Nei sistemi NOGM convenzionali, l'unità di amplificazione dell'energia dell'impulso di pompa e l'unità di conversione della frequenza ottica non lineare sono separate: sono necessari multiplexer a divisione di lunghezza d'onda ad alta-potenza per accoppiare gli impulsi della pompa ad alta-energia con semi laser continui a singola-frequenza; inoltre, la giunzione a fusione di fibre attive e passive in condizioni di alta-potenza comporta rischi per la stabilità del sistema a lungo-termine. Il team di ricerca ha sviluppato un nuovo amplificatore ibrido Raman con terre rare e laser a fibra ultraveloce. Utilizzando la fibra drogata con itterbio-per fornire simultaneamente-il guadagno delle terre rare e il guadagno Raman, può generare impulsi Raman con energie di-impulso singolo nell'ordine dei microjoule. Come mostrato nella Figura 1, un diodo di commutazione del guadagno-genera un laser pulsato da 1065 nm con un'ampiezza dell'impulso di 18,3 ps, impostato su una frequenza di ripetizione di 10 MHz, che funge da sorgente di pompaggio del sistema. Un laser continuo a singola frequenza-a semiconduttore con larghezza di linea stretta da 1121 nm funge da sorgente seed e viene immesso simultaneamente nell'amplificatore in fibra drogata con itterbio-.
Figura 1 Schema del sistema di amplificatori ibridi Raman con laser a fibra ultraveloce-terre rare
Come mostrato nella Figura 2(a)-(d), l'energia del singolo-impulso dell'impulso Raman da 1121 nm può essere amplificata a ~1 μJ, con la larghezza dell'impulso compressa a 589 fs. L'efficienza massima di conversione Raman raggiunge il 69,9% e il rapporto segnale-rispetto-rumore della velocità di ripetizione degli impulsi raggiunge 81,1 dB. Senza l'iniezione laser continua a frequenza singola-, le caratteristiche dell'impulso Raman da 1121 nm sono mostrate in (e)-(h). In queste condizioni, l'impulso Raman generato presenta caratteristiche simili al-rumore-, con un'intensità della sequenza di impulsi instabile e un rapporto segnale-frequenza di ripetizione-/rumore-ridotto di 67,4 dB. Questi risultati sperimentali confermano la fattibilità dell'amplificazione ibrida Raman di terre rare NOGM e la necessità dell'iniezione di semi di frequenza singola.
Figura 2 Caratteristiche del laser a impulsi Raman con (a)-(d) iniezione laser continua a singola-frequenza e (e)-(h) senza iniezione laser continua a singola-frequenza
Contemporaneamente, le simulazioni numeriche hanno modellato l'evoluzione dell'impulso in condizioni di una larghezza di impulso della pompa di 60 ps e un diametro del nucleo della fibra Raman di 14,5 μm, come illustrato nella Figura 3. I risultati indicano che le uscite dell'impulso Raman nell'intervallo di 10 μJ possono essere ottenute impiegando impulsi della pompa più ampi e fibre Raman con-nucleo- di diametro maggiore.
Figura 3 Risultati della simulazione per una larghezza di impulso della pompa di 60 ps e un diametro del nucleo della fibra di circa 14,5 μm
Questo studio dimostra un nuovo amplificatore ibrido Raman con laser a fibra itterbio-raman ultraveloce, che raggiunge ~1 μJ di uscita laser Raman da 1121 nm con una larghezza di impulso comprimibile a 589 fs. Ulteriori simulazioni numeriche rivelano che l’utilizzo di un laser a pompa con una larghezza di impulso più ampia e una fibra con un diametro del nucleo maggiore potrebbe potenzialmente ottenere uscite di impulsi Raman a femtosecondi nell’intervallo di 10 μJ, che rappresenta un obiettivo chiave per la ricerca successiva. Questo laser a fibra Raman a femtosecondi, in grado di generare impulsi ad alta-energia a lunghezze d'onda specifiche, offre un promettente supporto tecnologico per le sorgenti luminose per applicazioni quali la lavorazione dei materiali e l'imaging biomedico.
