تولد تقنية ليزر الألياف فائقة السرعة نبضات ليزر فائقة القصر على مستوى الفيمتو ثانية أو البيكو ثانية-، مما يوفر مزايا مثل جودة الشعاع العالية، والثبات الاستثنائي، والبنية المدمجة. يجد تطبيقات واسعة النطاق في المعالجة الدقيقة، والبحوث الطبية الحيوية، والتحليل الطيفي، والاتصالات. تستخدم ليزرات الألياف التقليدية فائقة السرعة أليافًا نادرة-مطعمة بالأرض-كوسط كسب، وذلك باستخدام بنية الطاقة متعددة المستويات-للأيونات الأرضية النادرة- لتحقيق الانبعاث المحفز. ومع ذلك، نظرًا للتباعد بين مستويات الطاقة الثابتة والعرض الطيفي المحدود للتحولات النادرة للأيونات الأرضية -، يقتصر إخراج الليزر على نطاقات طيفية منفصلة، مما يحد بشكل كبير من نطاق تطبيق ليزر الألياف فائق السرعة. لا يعد توسيع الطول الموجي الناتج من ليزرات الألياف فائقة السرعة إلى ما هو أبعد من النطاق الذي تغطيه التحولات الأيونية مجرد تقدم طبيعي في تطوير التكنولوجيا فائقة السرعة ولكنه يعالج أيضًا المتطلبات العملية عبر البحث العلمي والتطبيقات الطبية والدفاع وغيرها من المجالات.
تمثل ليزرات ألياف رامان فائقة السرعة طريقة فعالة لتوليد نبضات ليزر بأطوال موجية محددة. تتضمن التقنيات السائدة الحالية لتوليد ليزر رامان فائق السرعة وضع القفل والضخ المتزامن وتعديل الكسب البصري غير الخطي (NOGM). يستخدم قفل الوضع-عادةً الضخ الموجي المستمر-، الأمر الذي يتطلب عشرات إلى مئات الأمتار من الألياف لتحقيق كسب رامان كافٍ، مما ينتج عنه رنانات ذات تشتت كبير وعدم خطية. يستخدم الضخ المتزامن الضخ النبضي، مما يؤدي إلى تقصير طول الرنان بشكل فعال. ومع ذلك، فإنه يتطلب التزامن بين نبض المضخة ونبض رامان، مما يزيد من تعقيد النظام. تعتمد كلتا التقنيتين على هياكل مرنان من الألياف، مما يحد من خرج طاقة نبض رامان في نطاق nJ. في المقابل، تستخدم تقنية NOGM تكوين مضخم ألياف رامان -بذرة تردد واحد-محقن لتوليد-نبضات ليزر رامان عالية الطاقة. حاليًا، تصل نبضات رامان المنتجة باستخدام هذه التقنية إلى مئات نطاق nJ. يُعد تحسين بنية النظام لتوليد-نبضات رامان ذات طاقة أعلى أحد مجالات التركيز الرئيسية للبحث.
نادر-مضخم صوت الأرض رامان الهجين
قام فريق بحث مشترك يضم البروفيسور تشو جياكي من قسم تكنولوجيا وأنظمة الليزر الفضائية في SIOM، الأكاديمية الصينية للعلوم، والبروفيسور فنغ يان من معهد شنغهاي للأبحاث المتقدمة التابع لـ USTC، بدمج تقنية NOGM مع مضخمات الألياف المشبعة بالإيتربيوم-. من خلال الاستفادة من آلية التضخيم الهجين للأيونات الأرضية- النادرة وتشتت رامان المحفز (SRS)، يتم تحقيق إخراج ليزر رامان فائق السرعة - عند الطول الموجي 1121 نانومتر مع إمكانية التركيز الدقيق، حيث يمكن ضغط عرض النبضة إلى 589 fs.
في نظام NOGM النموذجي، يعمل الليزر المستمر-بتردد واحد كمصدر للبذور، حيث يتم تضخيمه وتشكيله داخل ليف واحد؛ يعمل الليزر فائق السرعة كمصدر للمضخة، مما يوفر مكاسب بصرية غير خطية عبر SRS. يحدث التضخيم فقط في منطقة التداخل الزمني بين الليزر المستمر ذو التردد الواحد- وليزر المضخة، مما يؤدي في النهاية إلى تحويله إلى نبضة رامان متزامنة مع ليزر المضخة. في أنظمة NOGM التقليدية، يتم فصل وحدة تضخيم طاقة نبض المضخة ووحدة تحويل التردد البصري غير الخطي: يلزم وجود معددات إرسال عالية بتقسيم الطول الموجي - لإقران نبضات مضخة الطاقة العالية - مع بذور ليزر مستمرة أحادية التردد -؛ علاوة على ذلك، فإن الربط بين الألياف النشطة والسلبية في ظل ظروف الطاقة العالية-يشكل مخاطر على استقرار النظام على المدى الطويل-. طوّر فريق البحث مضخمًا هجينًا جديدًا من ألياف الليزر فائق السرعة نادرًا-الأرضي رامان. من خلال استخدام ألياف الإيتربيوم-المطعمة لتوفير كسب ترابي نادر وكسب رامان في نفس الوقت، يمكن توليد نبضات رامان مع طاقات نبضية واحدة-في نطاق الميكروجول. كما هو موضح في الشكل 1، يولد الصمام الثنائي لتحويل الكسب 1065 نانومتر ليزرًا نابضًا بعرض نبضة يبلغ 18.3 ps، مضبوطًا على معدل تكرار قدره 10 ميجاهرتز، ويعمل كمصدر مضخة للنظام. يعمل الليزر المستمر - بعرض خط ضيق يبلغ 1121 نانومتر لأشباه الموصلات - كمصدر للبذور، ويتم إدخاله في نفس الوقت في مضخم الألياف المخدر بالإيتربيوم -.
الشكل 1: رسم تخطيطي لنظام مكبر الصوت الهجين الأرضي رامان فائق السرعة من ألياف الليزر النادر-.
كما هو مبين في الشكل 2 (أ) - (د)، يمكن تضخيم طاقة النبضة الفردية - لنبض رامان 1121 نانومتر إلى ~ 1 μJ، مع ضغط عرض النبض إلى 589 fs. يصل الحد الأقصى لكفاءة تحويل رامان إلى 69.9%، وتحقق نسبة تكرار النبضة - إلى - نسبة الضوضاء 81.1 ديسيبل. بدون حقن ليزر مستمر بتردد واحد -، تظهر خصائص نبض رامان 1121 نانومتر في ( هـ ) - ( ح ). في ظل هذه الظروف، يُظهر نبض رامان المُولَّد خصائص قريبة من -الضوضاء-، مع كثافة تسلسل نبض غير مستقرة ونسبة تكرار منخفضة-معدل الإشارة-إلى-نسبة ضوضاء تبلغ 67.4 ديسيبل. تؤكد هذه النتائج التجريبية جدوى -تضخيم هجين رامان الأرضي النادر NOGM وضرورة حقن البذور ذات التردد الواحد-.
الشكل 2: خصائص ليزر رامان النبضي مع (أ) - (د) حقن ليزر مستمر بتردد واحد - و (هـ) - (ح) بدون حقن ليزر مستمر بتردد واحد -
في الوقت نفسه، قامت عمليات المحاكاة العددية بتصميم نموذج لتطور النبض في ظل ظروف عرض نبضة مضخة 60 ps وقطر أساسي من ألياف رامان يبلغ 14.5 ميكرومتر، كما هو موضح في الشكل 3. تشير النتائج إلى أن مخرجات نبض رامان في نطاق 10 ميكروجول يمكن تحقيقها من خلال استخدام نبضات مضخة أوسع وألياف رامان أكبر-قطر-.
الشكل 3: نتائج المحاكاة لعرض نبض المضخة يبلغ 60 ps وقطر الألياف الأساسي حوالي 14.5 ميكرومتر
توضح هذه الدراسة مضخم ليزر الإيتربيوم الهجين رامان-الليفي فائق السرعة، والذي يحقق ~1 μJ من خرج ليزر رامان 1121 نانومتر مع عرض نبض قابل للضغط إلى 589 fs. تكشف عمليات المحاكاة العددية الإضافية أن استخدام مضخة ليزر ذات عرض نبضي أوسع وألياف ذات قطر أساسي أكبر يمكن أن يحقق مخرجات نبضة رامان بالفيمتو ثانية في نطاق 10 ميكروجول، وهو ما يمثل محورًا رئيسيًا للبحث اللاحق. يوفر ليزر ألياف رامان الفيمتو ثانية، القادر على توليد نبضات طاقة عالية-أطوال موجية محددة، دعمًا واعدًا لتقنية مصدر الضوء لتطبيقات مثل معالجة المواد والتصوير الطبي الحيوي.
