A tecnologia de laser de fibra ultrarrápida gera pulsos de laser ultracurtos de nível-de femtosegundo ou picossegundo, oferecendo vantagens como alta qualidade de feixe, estabilidade excepcional e estrutura compacta. Ele encontra amplas aplicações em processamento de precisão, pesquisa biomédica, espectroscopia e comunicações. Lasers de fibra ultrarrápida tradicionais empregam fibras dopadas com-terras raras-como meio de ganho, utilizando a estrutura de energia de vários-níveis de íons-de terras raras para obter emissão estimulada. No entanto, devido ao espaçamento fixo do nível de energia e à largura espectral limitada das transições de íons de terras raras, a saída do laser está confinada a faixas espectrais discretas, limitando significativamente o escopo de aplicação de lasers de fibra ultrarrápidos. Estender o comprimento de onda de saída dos lasers de fibra ultrarrápidos além da faixa coberta pelas transições iônicas não é apenas uma progressão natural no desenvolvimento de tecnologia ultrarrápida, mas também atende às demandas práticas em pesquisa científica, aplicações médicas, defesa e outros campos.
Os lasers de fibra Raman ultrarrápidos representam um método eficaz para gerar pulsos de laser em comprimentos de onda específicos. As técnicas convencionais atuais para gerar lasers Raman ultrarrápidos incluem bloqueio de modo-, bombeamento síncrono e modulação de ganho óptico não linear (NOGM). O bloqueio de modo-normalmente emprega bombeamento-de ondas contínuo, exigindo dezenas a centenas de metros de fibra para obter ganho Raman suficiente, resultando em ressonadores com dispersão e não linearidade significativas. O bombeamento síncrono utiliza bombeamento pulsado, encurtando efetivamente o comprimento do ressonador. No entanto, é necessária sincronização entre o pulso da bomba e o pulso Raman, aumentando a complexidade do sistema. Ambas as técnicas dependem de estruturas ressonadoras de fibra, limitando a energia do pulso Raman de saída à faixa nJ. Por outro lado, a tecnologia NOGM emprega uma configuração de amplificador de fibra Raman injetada com -semente de frequência-única para gerar pulsos de laser Raman de alta-energia. Atualmente, os pulsos Raman produzidos usando esta técnica atingem a faixa de centenas de nJ. Otimizar a arquitetura do sistema para gerar pulsos Raman de{14}}energia mais alta é um foco importante da pesquisa.
Amplificador híbrido-Terra Raman Raro
Uma equipe de pesquisa conjunta composta pelo professor Zhou Jiaqi, do Departamento de Tecnologia e Sistemas Laser Aeroespaciais do SIOM, Academia Chinesa de Ciências, e pelo professor Feng Yan, do Instituto de Pesquisa Avançada de Xangai da USTC, combinou a tecnologia NOGM com amplificadores de fibra dopada com itérbio-. Aproveitando o mecanismo de amplificação híbrido de íons de terras raras-e espalhamento Raman estimulado (SRS), alcançando saída de laser Raman ultra{3}}rápida no comprimento de onda de 1121 nm com capacidade de microfocalização, onde a largura de pulso pode ser comprimida para 589 fs.
Em um sistema NOGM típico, um laser contínuo de frequência única serve como fonte de semente, amplificado e moldado em uma única fibra; um laser ultrarrápido atua como fonte de bomba, fornecendo ganho óptico não linear via SRS. A amplificação ocorre apenas na região de sobreposição temporal entre o laser contínuo de frequência única e o laser da bomba, convertendo-o em última análise em um pulso Raman sincronizado com o laser da bomba. Em sistemas NOGM convencionais, a unidade de amplificação de energia de pulso da bomba e a unidade de conversão de frequência óptica não linear são separadas: multiplexadores de divisão de comprimento de onda de alta-potência são necessários para acoplar pulsos de bomba de alta-energia com sementes de laser contínuas de-frequência única; além disso, a emenda por fusão de fibras ativas e passivas sob condições de alta-energia apresenta riscos à estabilidade-do sistema a longo prazo. A equipe de pesquisa desenvolveu um novo amplificador híbrido Raman de terras raras-de laser de fibra ultrarrápida. Ao utilizar fibra dopada com itérbio-para fornecer simultaneamente ganho-de terras raras e ganho Raman, ela pode gerar pulsos Raman com energias-de pulso único na faixa de microjoule. Conforme mostrado na Figura 1, um diodo de comutação de ganho gera um laser pulsado de 1.065 nm com uma largura de pulso de 18,3 ps, definido para uma taxa de repetição de 10 MHz, servindo como fonte de bomba do sistema. Um laser contínuo de frequência única-semicondutor de largura de linha estreita de 1121 nm atua como fonte de semente, entrando simultaneamente no amplificador de fibra dopada com itérbio-.
Figura 1 Esquema do sistema amplificador híbrido Raman de terras raras de laser de fibra ultrarrápida-
Conforme mostrado na Figura 2(a)-(d), a energia de pulso-única do pulso Raman de 1121 nm pode ser amplificada para ~1 μJ, com a largura do pulso comprimida para 589 fs. A eficiência máxima de conversão Raman atinge 69,9%, e a relação sinal-para{9}}ruído da taxa de repetição de pulso atinge 81,1 dB. Sem injeção contínua de laser de frequência-única, as características do pulso Raman de 1121 nm são mostradas em (e)-(h). Nessas condições, o pulso Raman gerado exibe características próximas de-ruído-, com intensidade de sequência de pulso instável e uma relação de-taxa de repetição-para{20}}ruído reduzida de 67,4 dB. Esses resultados experimentais confirmam a viabilidade do NOGM de amplificação híbrida Raman de terras raras-e a necessidade de injeção de sementes de-frequência única.
Figura 2 Características do laser de pulso Raman com (a)-(d) injeção contínua de laser de frequência-única e (e)-(h) sem injeção contínua de laser de frequência-única
Simultaneamente, simulações numéricas modelaram a evolução do pulso sob condições de largura de pulso de bomba de 60 ps e diâmetro de núcleo de fibra Raman de 14,5 μm, conforme ilustrado na Figura 3. Os resultados indicam que saídas de pulso Raman na faixa de 10 μJ podem ser alcançadas empregando pulsos de bomba mais largos e fibras Raman de diâmetro de -núcleo-maior.
Figura 3 Resultados de simulação para uma largura de pulso de bomba de 60 ps e um diâmetro de núcleo de fibra de aproximadamente 14,5 μm
Este estudo demonstra um novo amplificador híbrido Raman de laser de fibra ultrarrápido de itérbio-, alcançando ~1 μJ de saída de laser Raman de 1121 nm com uma largura de pulso compressível a 589 fs. Outras simulações numéricas revelam que a utilização de uma bomba de laser com largura de pulso mais ampla e fibra com diâmetro de núcleo maior poderia potencialmente atingir saídas de pulso Raman de femtosegundo na faixa de 10 μJ, o que representa um foco principal para pesquisas subsequentes. Este laser de fibra Raman de femtosegundo, capaz de gerar pulsos de alta-energia em comprimentos de onda específicos, oferece suporte promissor à tecnologia de fonte de luz para aplicações como processamento de materiais e imagens biomédicas.
