เลเซอร์พัลส์ที่มีอัตราการทำซ้ำสูงมาก

เลเซอร์พัลส์ที่มีอัตราการทำซ้ำสูงมาก

ในโลกจุลภาคของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสาร พัลส์ที่มีอัตราการทำซ้ำสูงมาก (UHRPs) ทำหน้าที่เป็นไม้บรรทัดเวลาที่แม่นยำ – พวกมันสั่นด้วยความถี่มากกว่าหนึ่งพันล้านครั้งต่อวินาที (1 GHz) สามารถจับภาพลายนิ้วมือโมเลกุลของเซลล์มะเร็งในการถ่ายภาพสเปกตรัม ส่งข้อมูลจำนวนมหาศาลในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง และปรับเทียบพิกัดความยาวคลื่นของดาวฤกษ์ในกล้องโทรทรรศน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการก้าวกระโดดของมิติการตรวจจับของไลดาร์ เลเซอร์พัลส์ที่มีอัตราการทำซ้ำสูงมากในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ (100-300 GHz) กำลังกลายเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการเจาะทะลุชั้นการรบกวน ปรับเปลี่ยนขอบเขตของการรับรู้สามมิติด้วยพลังการจัดการเชิงพื้นที่และเวลาในระดับโฟตอน ปัจจุบัน การใช้โครงสร้างจุลภาคเทียม เช่น โพรงวงแหวนขนาดเล็กที่ต้องการความแม่นยำในการประมวลผลระดับนาโนเพื่อสร้างการผสมคลื่นสี่คลื่น (FWM) เป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการสร้างพัลส์แสงที่มีอัตราการทำซ้ำสูงมาก นักวิทยาศาสตร์กำลังมุ่งเน้นไปที่การแก้ปัญหาทางวิศวกรรมในการประมวลผลโครงสร้างละเอียดพิเศษ ปัญหาการปรับความถี่ระหว่างการเริ่มต้นพัลส์ และปัญหาประสิทธิภาพการแปลงหลังจากการสร้างพัลส์ อีกแนวทางหนึ่งคือการใช้เส้นใยที่มีความไม่เป็นเชิงเส้นสูง และใช้ประโยชน์จากผลกระทบของความไม่เสถียรของการมอดูเลชันหรือผลกระทบ FWM ภายในโพรงเลเซอร์เพื่อกระตุ้น UHRPs อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ เรายังคงต้องการ "ตัวปรับรูปร่างเวลา" ที่มีประสิทธิภาพมากกว่านี้

กระบวนการสร้าง UHRP โดยการฉีดพัลส์ความเร็วสูงพิเศษเพื่อกระตุ้นปรากฏการณ์ FWM แบบกระจายพลังงานนั้น เรียกว่า “การจุดระเบิดความเร็วสูงพิเศษ” ซึ่งแตกต่างจากวิธีการสร้างโพรงไมโครริงเทียมที่กล่าวถึงข้างต้น ซึ่งต้องใช้การปั๊มอย่างต่อเนื่อง การปรับค่าดีทูนอย่างแม่นยำเพื่อควบคุมการสร้างพัลส์ และการใช้ตัวกลางที่มีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้นสูงเพื่อลดเกณฑ์ FWM การ “จุดระเบิด” นี้อาศัยคุณลักษณะกำลังสูงสุดของพัลส์ความเร็วสูงพิเศษเพื่อกระตุ้น FWM โดยตรง และหลังจาก “ดับการจุดระเบิด” แล้ว จะทำให้เกิด UHRP ที่คงอยู่ได้ด้วยตนเอง

ภาพที่ 1 แสดงกลไกหลักของการจัดระเบียบตัวเองของพัลส์โดยอาศัยการกระตุ้นพัลส์เริ่มต้นความเร็วสูงพิเศษของโพรงวงแหวนไฟเบอร์แบบกระจายพลังงาน พัลส์เริ่มต้นแบบอัลตร้าชอร์ตที่ฉีดจากภายนอก (คาบ T0 ความถี่การทำซ้ำ F) ทำหน้าที่เป็น "แหล่งกำเนิดประกายไฟ" เพื่อกระตุ้นสนามพัลส์กำลังสูงภายในโพรงกระจายพลังงาน โมดูลขยายสัญญาณภายในทำงานร่วมกับตัวปรับรูปร่างสเปกตรัมเพื่อแปลงพลังงานพัลส์เริ่มต้นให้เป็นการตอบสนองสเปกตรัมรูปทรงหวีผ่านการควบคุมร่วมกันในโดเมนเวลา-ความถี่ กระบวนการนี้ก้าวข้ามข้อจำกัดของการปั๊มอย่างต่อเนื่องแบบดั้งเดิม: พัลส์เริ่มต้นจะหยุดลงเมื่อถึงเกณฑ์ FWM ของการกระจายพลังงาน และโพรงกระจายพลังงานจะรักษาสถานะการจัดระเบียบตัวเองของพัลส์ผ่านสมดุลไดนามิกของการขยายและการสูญเสีย โดยความถี่การทำซ้ำของพัลส์คือ Fs (ซึ่งสอดคล้องกับความถี่ภายใน FF และคาบ T ของโพรง)

การศึกษานี้ยังได้ทำการตรวจสอบทางทฤษฎีด้วย โดยพิจารณาจากพารามิเตอร์ที่ใช้ในการตั้งค่าการทดลองและด้วยค่า 1psเลเซอร์พัลส์ความเร็วสูงพิเศษในขั้นต้น ได้ทำการจำลองเชิงตัวเลขเกี่ยวกับกระบวนการวิวัฒนาการของพัลส์ในโดเมนเวลาและความถี่ภายในโพรงเลเซอร์ พบว่าพัลส์ผ่านสามขั้นตอน ได้แก่ การแยกตัวของพัลส์ การสั่นแบบเป็นคาบของพัลส์ และการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของพัลส์ทั่วทั้งโพรงเลเซอร์ ผลลัพธ์เชิงตัวเลขนี้ยังยืนยันคุณลักษณะการจัดระเบียบตนเองของพัลส์ได้อย่างสมบูรณ์เลเซอร์พัลส์.

ด้วยการกระตุ้นปรากฏการณ์การผสมคลื่นสี่คลื่นภายในโพรงวงแหวนไฟเบอร์แบบกระจายพลังงานผ่านการจุดพัลส์เริ่มต้นที่รวดเร็วเป็นพิเศษ ทำให้สามารถสร้างและรักษาพัลส์ความถี่สูงพิเศษระดับซับเทราเฮิรตซ์ (เอาต์พุตพลังงาน 0.5 วัตต์ที่เสถียรหลังจากปิดพัลส์เริ่มต้น) ได้สำเร็จ ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงชนิดใหม่สำหรับวงการไลดาร์: ความถี่ระดับซับเทราเฮิรตซ์สามารถเพิ่มความละเอียดของกลุ่มจุดให้ถึงระดับมิลลิเมตร คุณสมบัติการรักษาพัลส์ด้วยตนเองช่วยลดการใช้พลังงานของระบบได้อย่างมาก โครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมดช่วยให้การทำงานมีเสถียรภาพสูงในแถบความปลอดภัยต่อสายตา 1.5 ไมโครเมตร ในอนาคต คาดว่าเทคโนโลยีนี้จะผลักดันวิวัฒนาการของไลดาร์ที่ติดตั้งบนยานพาหนะไปสู่การย่อขนาด (โดยใช้ไมโครฟิลเตอร์ MZI) และการตรวจจับระยะไกล (การขยายกำลังไฟเป็น > 1 วัตต์) และปรับให้เข้ากับความต้องการการรับรู้ของสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นผ่านการจุดพัลส์ที่ประสานกันหลายความยาวคลื่นและการควบคุมอัจฉริยะ