לייזר פולסים בעל קצב חזרות גבוה במיוחד

לייזר פולסים בעל קצב חזרות גבוה במיוחד

בעולם המיקרוסקופי של האינטראקציה בין אור לחומר, פולסים בעלי קצב חזרה גבוה במיוחד (UHRPs) פועלים כשליטים מדויקים של זמן - הם מתנדנדים ביותר ממיליארד פעמים בשנייה (1GHz), לוכדים את טביעות האצבע המולקולריות של תאי סרטן בהדמיה ספקטרלית, נושאים כמויות אדירות של נתונים בתקשורת סיבים אופטיים, ומכיילים את קואורדינטות אורך הגל של כוכבים בטלסקופים. במיוחד בקפיצת מימד הגילוי של לידאר, לייזרי פולסים בעלי קצב חזרה גבוה במיוחד של טרה-הרץ (100-300 GHz) הופכים לכלי רב עוצמה לחדירה לשכבת ההפרעה, תוך עיצוב מחדש של גבולות התפיסה התלת-ממדית בעזרת כוח המניפולציה המרחבי-זמני ברמת הפוטון. כיום, שימוש במיקרו-מבנים מלאכותיים, כגון חללי מיקרו-טבעות הדורשים דיוק עיבוד בקנה מידה ננומטרי כדי לייצר ערבוב ארבעה גלים (FWM), הוא אחת השיטות העיקריות להשגת פולסים אופטיים בעלי קצב חזרה גבוה במיוחד. מדענים מתמקדים בפתרון בעיות הנדסיות בעיבוד של מבנים עדינים במיוחד, בעיית כוונון התדר במהלך תחילת הפולסים ובעיית יעילות ההמרה לאחר יצירת הפולסים. גישה נוספת היא להשתמש בסיבים בעלי רמת אי-לינאריות גבוהה ולנצל את אפקט חוסר היציבות של המודולציה או אפקט FWM בתוך חלל הלייזר כדי לעורר UHRPs. עד כה, אנו עדיין זקוקים ל"מעצב זמן" מיומן יותר.

תהליך יצירת UHRP על ידי הזרקת פולסים אולטרה-מהירים כדי לעורר את אפקט ה-FWM המפוזר מתואר כ"הצתה אולטרה-מהירה". בשונה מסכימת חלל המיקרו-רינג המלאכותי שהוזכרה לעיל, הדורשת שאיבה רציפה, כוונון מדויק של ניתוק כדי לשלוט ביצירת הפולסים, ושימוש במדיה לא ליניארית ביותר כדי להוריד את סף ה-FWM, "הצתה" זו מסתמכת על מאפייני הספק השיא של פולסים אולטרה-מהירים כדי לעורר ישירות את ה-FWM, ולאחר "כיבוי ההצתה", להשיג UHRP בר-קיימא.

איור 1 ממחיש את המנגנון המרכזי להשגת ארגון עצמי של הפולס המבוסס על עירור פולס זרעים מהיר במיוחד של חללי טבעת סיבים דיסיפטיביים. פולס הזרעים הקצר במיוחד המוזרק חיצונית (מחזור T0, תדר החזרה F) משמש כ"מקור הצתה" כדי לעורר שדה פולס בעל הספק גבוה בתוך חלל הפיזור. מודול ההגבר התוך-תאי פועל בסינרגיה עם מעצב הספקטרום כדי להמיר את אנרגיית פולס הזרעים לתגובה ספקטרלית בצורת מסרק באמצעות ויסות משותף בתחום הזמן-תדר. תהליך זה שובר את המגבלות של שאיבה רציפה מסורתית: פולס הזרעים נכבה כאשר הוא מגיע לסף FWM של הפיזור, וחלל הפיזור שומר על מצב הארגון העצמי של הפולס באמצעות איזון דינמי של הגבר והפסד, כאשר תדר החזרה של הפולס הוא Fs (התואם לתדר הפנימי FF ולמחזור T של החלל).

מחקר זה ביצע גם אימות תיאורטי. בהתבסס על הפרמטרים שאומצו במערך הניסויי ועם 1psלייזר פולסים אולטרה מהירכשדה ההתחלתי, בוצעה סימולציה נומרית על תהליך האבולוציה של תחום הזמן והתדירות של הפולס בתוך חלל הלייזר. נמצא כי הפולס עבר שלושה שלבים: פיצול פולס, תנודה מחזורית של הפולס, ופיזור אחיד של הפולס בכל חלל הלייזר. תוצאה נומרית זו גם מאמתת באופן מלא את מאפייני הארגון העצמי של ה...לייזר דופק.

על ידי הפעלת אפקט ערבוב ארבעת הגלים בתוך חלל טבעת הסיבים הדיסיפטיביים באמצעות הצתה אולטרה-מהירה של פעימות זרעים, הושגו בהצלחה יצירה ותחזוקה עצמית של פעימות בתדר חזרתי גבוה במיוחד מתחת ל-THZ (תפוקה יציבה של הספק 0.5W לאחר כיבוי הזרעים), מה שסיפקו סוג חדש של מקור אור לשדה הלידר: תדר החוזר ברמת תת-THZ שלו יכול לשפר את רזולוציית ענן הנקודות לרמה של מילימטר. תכונת השמירה העצמית של הפעימות מפחיתה משמעותית את צריכת האנרגיה של המערכת. מבנה הסיבים כולו מבטיח פעולה יציבה גבוהה בתחום בטיחות העיניים של 1.5 מיקרון. במבט לעתיד, טכנולוגיה זו צפויה להניע את התפתחות הלידר המותקן ברכב לעבר מזעור (מבוסס על מיקרו-מסנני MZI) וגילוי ארוך טווח (הרחבת הספק ל-> 1W), ולהתאים עוד יותר לדרישות התפיסה של סביבות מורכבות באמצעות הצתה מתואמת מרובת אורכי גל וויסות חכם.