เลเซอร์พัลส์อัตราการทำซ้ำที่สูงมาก

เลเซอร์พัลส์อัตราการทำซ้ำที่สูงมาก

ในโลกจุลภาคของปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสาร พัลส์อัตราการทำซ้ำสูงพิเศษ (UHRP) ทำหน้าที่เป็นตัวกำหนดเวลาที่แม่นยำ พัลส์เหล่านี้สั่นด้วยความเร็วมากกว่าหนึ่งพันล้านครั้งต่อวินาที (1 GHz) ทำหน้าที่บันทึกลายนิ้วมือโมเลกุลของเซลล์มะเร็งในการถ่ายภาพสเปกตรัม ส่งข้อมูลปริมาณมหาศาลในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง และปรับเทียบพิกัดความยาวคลื่นของดวงดาวในกล้องโทรทรรศน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในมิติการตรวจจับของไลดาร์ เลเซอร์พัลส์อัตราการทำซ้ำสูงพิเศษเทราเฮิรตซ์ (100-300 GHz) กำลังกลายเป็นเครื่องมืออันทรงพลังในการเจาะทะลุชั้นการรบกวน พลิกโฉมขอบเขตของการรับรู้สามมิติด้วยพลังการจัดการเชิงปริภูมิและเวลาในระดับโฟตอน ปัจจุบัน การใช้โครงสร้างจุลภาคเทียม เช่น โพรงไมโครริงที่ต้องการความแม่นยำในการประมวลผลระดับนาโนเมตรเพื่อสร้างการผสมคลื่นสี่คลื่น (FWM) เป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการรับพัลส์แสงอัตราการทำซ้ำสูงพิเศษ นักวิทยาศาสตร์กำลังมุ่งเน้นไปที่การแก้ปัญหาทางวิศวกรรมในการประมวลผลโครงสร้างขนาดเล็กพิเศษ ปัญหาการปรับความถี่ระหว่างการเริ่มต้นพัลส์ และปัญหาประสิทธิภาพการแปลงหลังจากการสร้างพัลส์ อีกแนวทางหนึ่งคือการใช้เส้นใยแก้วแบบไม่เชิงเส้นสูง และใช้ประโยชน์จากผลกระทบจากความไม่เสถียรของการมอดูเลต หรือผลกระทบจาก FWM ภายในโพรงเลเซอร์เพื่อกระตุ้น UHRP จนถึงปัจจุบัน เรายังต้องการ "ผู้กำหนดรูปแบบเวลา" ที่คล่องแคล่วมากขึ้น

กระบวนการสร้าง UHRP โดยการฉีดพัลส์ความเร็วสูงพิเศษเพื่อกระตุ้นเอฟเฟกต์ FWM แบบกระจายตัว ถูกเรียกว่า "การจุดระเบิดความเร็วสูงพิเศษ" แตกต่างจากรูปแบบโพรงไมโครริงเทียมที่กล่าวถึงข้างต้น ซึ่งจำเป็นต้องมีการสูบอย่างต่อเนื่อง การปรับดีจูนที่แม่นยำเพื่อควบคุมการสร้างพัลส์ และการใช้สื่อที่ไม่เป็นเชิงเส้นสูงเพื่อลดเกณฑ์ FWM "การจุดระเบิด" นี้อาศัยลักษณะกำลังสูงสุดของพัลส์ความเร็วสูงพิเศษเพื่อกระตุ้น FWM โดยตรง และหลังจาก "ปิดการจุดระเบิด" แล้ว จะทำให้ UHRP สามารถคงอยู่ได้ด้วยตนเอง

รูปที่ 1 แสดงให้เห็นกลไกหลักของการบรรลุการจัดระเบียบตนเองของพัลส์โดยอาศัยการกระตุ้นพัลส์เมล็ดอย่างรวดเร็วของโพรงวงแหวนเส้นใยแบบกระจาย พัลส์เมล็ดสั้นพิเศษที่ฉีดจากภายนอก (คาบ T0, ความถี่การทำซ้ำ F) ทำหน้าที่เป็น "แหล่งกำเนิดประกายไฟ" เพื่อกระตุ้นสนามพัลส์กำลังสูงภายในโพรงกระจาย โมดูลเกนภายในเซลล์ทำงานร่วมกับตัวสร้างสเปกตรัมเพื่อแปลงพลังงานพัลส์เมล็ดเป็นการตอบสนองสเปกตรัมแบบหวีผ่านการควบคุมร่วมในโดเมนเวลา-ความถี่ กระบวนการนี้ทำลายข้อจำกัดของการสูบแบบต่อเนื่องแบบดั้งเดิม: พัลส์เมล็ดจะหยุดทำงานเมื่อถึงเกณฑ์ FWM ของการกระจาย และโพรงกระจายจะรักษาสถานะการจัดระเบียบตนเองของพัลส์ผ่านสมดุลแบบไดนามิกของเกนและการสูญเสีย โดยความถี่การทำซ้ำของพัลส์คือ Fs (สอดคล้องกับความถี่ภายใน FF และคาบ T ของโพรง)

การศึกษานี้ยังดำเนินการตรวจสอบทางทฤษฎี โดยอิงตามพารามิเตอร์ที่ใช้ในการตั้งค่าการทดลองและด้วยค่า 1psเลเซอร์พัลส์ความเร็วสูงการจำลองเชิงตัวเลขได้ดำเนินการในเบื้องต้นเกี่ยวกับกระบวนการวิวัฒนาการของโดเมนเวลาและความถี่ของพัลส์ภายในโพรงเลเซอร์ พบว่าพัลส์ผ่านสามขั้นตอน ได้แก่ การแยกพัลส์ การสั่นแบบเป็นคาบของพัลส์ และการกระจายตัวสม่ำเสมอของพัลส์ทั่วทั้งโพรงเลเซอร์ ผลลัพธ์เชิงตัวเลขนี้ยังยืนยันลักษณะการจัดระเบียบตนเองของพัลส์ได้อย่างสมบูรณ์เลเซอร์พัลส์.

ด้วยการกระตุ้นเอฟเฟกต์การผสมสี่คลื่นภายในโพรงวงแหวนเส้นใยแบบกระจายตัวผ่านการจุดระเบิดด้วยพัลส์เมล็ดพืชแบบเร็วพิเศษ ทำให้สามารถสร้างและรักษาพัลส์ความถี่ซ้ำสูงพิเศษแบบจัดระเบียบตัวเองได้สำเร็จ (เอาต์พุตกำลังไฟฟ้า 0.5 วัตต์ที่เสถียรหลังจากปิดเมล็ดพืช) นับเป็นแหล่งกำเนิดแสงรูปแบบใหม่สำหรับสนามลิดาร์ ความถี่ระดับต่ำกว่า THZ สามารถเพิ่มความละเอียดของกลุ่มจุดแสงได้ถึงระดับมิลลิเมตร คุณสมบัติการคงตัวของพัลส์ช่วยลดการใช้พลังงานของระบบได้อย่างมาก โครงสร้างเส้นใยทั้งหมดช่วยให้มั่นใจได้ว่าการทำงานมีเสถียรภาพสูงในแถบความปลอดภัยดวงตาขนาด 1.5 ไมโครเมตร ในอนาคต เทคโนโลยีนี้คาดว่าจะผลักดันวิวัฒนาการของลิดาร์ที่ติดตั้งบนยานพาหนะไปสู่การย่อส่วน (โดยใช้ไมโครฟิลเตอร์ MZI) และการตรวจจับระยะไกล (การขยายกำลังไฟฟ้าเป็นมากกว่า 1 วัตต์) และปรับให้เข้ากับข้อกำหนดการรับรู้ของสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนผ่านการจุดระเบิดแบบประสานความยาวคลื่นหลายช่วงและการควบคุมอัจฉริยะ