Наскоро екипът от професор Джао Йонг от Североизточния университет, асоцииран изследовател У Хан от университета в Съчуан, асоцииран изследовател Ма Руи от университета в Шенжен и професор Уанг Зинан от Университета за електронни науки и технологии на Китай си сътрудничат, за да очертаят граничния напредък в механизмът, характеристиките и приложенията на спектралния контрол на произволни влакнести лазери. Те изчерпателно представиха напредъка на изследванията на произволни влакнести лазери с висока спектрална чистота, теснолентов изход, гъвкава настройка на дължината на вълната и многовълнов изход, накратко обобщиха приложението на произволни влакнести лазери, базирани на спектрален контрол, и очакваха с нетърпение перспективите за развитие, изследванията пътеки и предизвикателства, пред които са изправени лазерите с произволни влакна, базирани на спектрален контрол.
Като нов тип случаен лазер, лазерът със случайни влакна е изследователска гореща точка, разработена през последното десетилетие. В сравнение с традиционните влакнести лазери с фиксирани структури на резонансна кухина, лазерите с произволни влакна не изискват прецизни структури с резонансна кухина и имат по-голяма свобода на структурно проектиране. Лазерите с произволни влакна имат предимства в ефективността на преобразуване, насочеността, цената и т.н. и могат да осигурят добра платформа за изграждане на различни форми на високопроизводителни лазери. По-специално лазерите с произволни влакна, базирани на различни среди за усилване, имат отлична гъвкавост на дължината на вълната и могат да постигнат лазерно излъчване с произволна дължина на вълната в лентата 1~2,1 µm. През последните години изследователите проведоха задълбочени теоретични и експериментални изследвания на спектралните характеристики на лазерите с произволни влакна. Чрез спектрално регулиране лазерите с произволни влакна демонстрират способността за висока спектрална чистота, тясна честотна лента и изход с много дължини на вълната. В допълнение, произволните влакнести лазери, с техните уникални спектрални характеристики, имат широки перспективи за приложение във влакнесто-оптични комуникации, влакнесто-оптични сензори, изображения без петънца, генериране на суперконтинуум, нелинейно преобразуване на честота, средни инфрачервени източници на лазерни помпи и лазерни задвижван синтез с инерционно ограничение (Фигура 1).
Основни изследвания върху спектралните характеристики на оптични лазери
За да опишат теоретично и анализират спектралните характеристики на лазерите с произволни влакна и да изследват техните физични закони, изследователите са предложили зависим от спектъра модел на стационарно равновесие на мощността, нелинеен модел на Шрьодингер и модел на вълновата динамика за точна оценка на изходната мощност и процес на спектрална промяна на произволни влакнести лазери. През последните години изследователите експериментално изследваха спектралните статистически характеристики на произволни влакнести лазери, въведоха реплика на симетрия, нарушаваща се в произволни влакнести лазери, и използваха методи за статистически анализ, базирани на теорията на спиновото стъкло, за да изследват разстройството и нелинейните взаимодействия в произволните влакнести лазери.
Лазери с произволни влакна с отлична гъвкавост на дължината на вълната
Възползвайки се от различни механизми на усилване, включително усилване на нелинейния ефект от трети ред (като стимулирано раманово разсейване и стимулирано разсейване на Брилуен) и активно усилване с допинг на редкоземни йони (като итербий-, ербий-, ербий/итербий-, бисмут- и легирани с тулий активни влакна), лазерите с произволни влакна могат да работят в обхвата 1-2.1µm. При произволни оптични лазери, използващи фиксирани помпи, комбинирането на регулируеми филтри или зависими от дължината на вълната точкови огледала и промяна на централната дължина на вълната на филтрите или точковите огледала може да постигне плоска и ефективна настройка на дължината на вълната в широк диапазон. В допълнение, чрез въвеждане на точкови огледала с програмируема дължина на вълната, спектърът на лазерите с произволни влакна може да бъде програмиран и непрекъснато настройван според проектираната спектрална форма. По-специално, за лазери с каскадни произволни влакна на Raman, базирани на широколентови точкови огледала и обратна връзка, дължината на вълната на лазера може да бъде непрекъснато настроена в голям диапазон чрез директно променяне на дължината на вълната на помпата и мощността на помпата.
Спектрален контрол на произволни оптични лазери
Лазерите с каскадни произволни раманови влакна имат отлична гъвкавост на дължината на вълната. Въпреки това, по време на процеса на каскадно преобразуване, остатъчната Стоксова светлина от нисък порядък ще доведе до намаляване на спектралната чистота на лазера. Чрез възприемането на нов тип стабилен във времето източник на помпа (като некохерентно широколентово усилено спонтанно изпомпване на емисии, лазерно изпомпване с произволни влакна с итербий и едночестотно лазерно изпомпване с разширена ширина на линията), изследователите са постигнали разнообразие от каскадно произволно Раманово влакно лазери с висока спектрална чистота. От друга страна, при висока мощност на помпата, повлияна от нелинейни ефекти като смесване на четири вълни и кръстосана фазова модулация във влакното, изходната спектрална честотна лента на лазера с произволни влакна с напълно отворена кухина обикновено е от порядъка на няколко нанометра . За да се отговори на нуждите от светлинни източници с тясна ширина на линията в сценарии като високоефективно лазерно удвояване на честотата, високопрецизно измерване и кохерентна влакнеста комуникация, теснолентовите произволни влакнести лазери могат да бъдат постигнати чрез добавяне на различни точкови рефлектори с регулируем спектър форма и честотна лента към лазерната структура с произволни влакна с полуотворена кухина или чрез използване на различни среди за усилване (като стимулирано разсейване на Brillouin) и различни пасивни влакна (като влакна с поддържане на поляризацията, влакна с високо разсейване) и оптимизиране на изпомпването схема. Освен това изходът с много дължини на вълната на произволни влакнести лазери може да бъде постигнат чрез добавяне на спектрални филтриращи елементи към лазера или използване на каскадно стимулирано усилване на разсейването на Брилуен.
Приложение на произволни оптични лазери, базирани на спектрален контрол
Структурният дизайн и гъвкавото преобразуване на дължината на вълната на лазерите с произволни влакна ги правят по-подходящи за реализиране на лазерно излъчване в специални ленти, за да отговорят на нуждите на приложения като разпределено усилване на сигнала, отчитане на влакна с високо съотношение сигнал/шум, нелинейно преобразуване на честота и средна инфрачервено изпомпване. В същото време, в сравнение с лазерите с влакна, базирани на структури с резонансна кухина, е доказано, че спектрално безмоделните лазери с произволни влакна имат по-добра стабилност във времевата област. Следователно случайните оптични лазери имат по-големи предимства в сценарии на приложение с високи изисквания за стабилност на лазерния източник. В допълнение, ниската кохерентност и спектралната управляемост на лазерите с произволни влакна им позволяват да покажат уникален потенциал за приложение при високопроизводителни изображения и лазерно задвижван синтез с инерционно ограничаване.
