טכנולוגיית לייזר סיב מהיר במיוחד מייצרת פעימות לייזר קצרות במיוחד ברמת פמט שנייה או פיקו שנייה, ומציעה יתרונות כגון איכות קרן גבוהה, יציבות יוצאת דופן ומבנה קומפקטי. הוא מוצא יישומים נרחבים בעיבוד מדויק, מחקר ביו-רפואי, ספקטרוסקופיה ותקשורת. לייזרים מסורתיים מסיבים אולטרה-מהירים משתמשים בסיבים נדירים-מסוממים-כמדיום ההגברה, תוך שימוש במבנה האנרגיה הרב-רב-רמות של יוני- אדמה נדירים כדי להשיג פליטה מעוררת. עם זאת, בשל המרווח הקבוע של רמות האנרגיה והרוחב הספקטרלי המוגבל של מעברי יוני- נדירים, פלט הלייזר מוגבל לטווחים ספקטרליים נפרדים, מה שמגביל באופן משמעותי את היקף היישום של לייזרים סיבים מהירים במיוחד. הרחבת אורך הגל הפלט של לייזרים סיבים מהירים מעבר לטווח המכוסה במעברי יונים היא לא רק התקדמות טבעית בפיתוח טכנולוגיה אולטרה-מהיר אלא גם נותנת מענה לדרישות מעשיות על פני מחקר מדעי, יישומים רפואיים, הגנה ותחומים אחרים.
לייזר סיבי ראמאן מהיר במיוחד מייצג שיטה יעילה להפקת פולסי לייזר באורכי גל ספציפיים. טכניקות מיינסטרים נוכחיות להפקת לייזר ראמאן מהיר במיוחד כוללות נעילת מצב-, שאיבה סינכרונית ואנון רווח אופטי לא ליניארי (NOGM). נעילת מצב- משתמשת בדרך כלל בשאיבה-מתמשכת של גל, הדורשת עשרות עד מאות מטרים של סיבים כדי להשיג רווח ראמאן מספיק, וכתוצאה מכך תהודה עם פיזור וחוסר ליניאריות משמעותיים. שאיבה סינכרונית משתמשת בשאיבה דופקת, מקצרת למעשה את אורך התהודה. עם זאת, זה מחייב סנכרון בין דופק המשאבה לדופק רמאן, מה שמגביר את מורכבות המערכת. שתי הטכניקות מסתמכות על מבני תהודה של סיבים, המגבילים את אנרגיית פולס ה-Raman הפלט לטווח nJ. לעומת זאת, טכנולוגיית NOGM משתמשת ב-תדר{10}}תדר{10}}תצורת מגבר של סיבי ראמאן כדי ליצור פולסי לייזר רמאן באנרגיה גבוהה{{11}. נכון לעכשיו, פולסי ראמאן המופקים בטכניקה זו מגיעים לטווח של מאות nJ. אופטימיזציה של ארכיטקטורת המערכת ליצירת פולסי ראמאן-גבוהים יותר היא מוקד מחקר מרכזי.
נדיר-Earth Raman Hybrid Amplifier
צוות מחקר משותף המורכב מפרופסור Zhou Jiaqi מהמחלקה לטכנולוגיות ומערכות לייזר תעופה וחלל ב-SIOM, האקדמיה הסינית למדעים ופרופסור פנג יאן ממכון המחקר המתקדם של שנחאי של USTC, שילב את טכנולוגיית NOGM עם מגברי סיבים מסוממים-איטרביום. על ידי מינוף מנגנון ההגברה ההיברידי של יוני אדמה- נדירים ופיזור ראמאן מעורר (SRS), השגת פלט לייזר ראמאן מהיר במיוחד באורך גל של 1121 ננומטר עם יכולת מיקרופוקאליזציה, שבה ניתן לדחוס את רוחב הפולס ל-589 fs.
במערכת NOGM טיפוסית, לייזר מתמשך- יחיד משמש כמקור הזרע, מוגבר ומעוצב בתוך סיב בודד; לייזר מהיר במיוחד משמש כמקור המשאבה, ומספק רווח אופטי לא ליניארי באמצעות SRS. ההגברה מתרחשת רק באזור החפיפה הטמפורלית בין הלייזר הרציף-היחיד לבין לייזר המשאבה, ובסופו של דבר הופכת אותו לפולס ראמאן המסונכרן עם לייזר המשאבה. במערכות NOGM קונבנציונליות, יחידת הגברת אנרגיית הדופק של המשאבה ויחידת ההמרה של תדר אופטי לא ליניארי מופרדות: יש צורך במרבבי חלוקת אורך גל -גבוהים כדי לקשר פולסים של משאבת אנרגיה- גבוהה עם זרעי לייזר מתמשכים בתדר- יחיד; יתר על כן, שחבור היתוך של סיבים פעילים ופסיביים בתנאי הספק- גבוהים מהווה סיכונים ליציבות המערכת -לטווח ארוך. צוות המחקר פיתח מגבר היברידי Raman היברידי חדש בסיב אולטרה-מהיר לייזר נדיר-. על ידי ניצול סיבים מסוממים של איטרביום- כדי לספק בו-זמנית{13}}עלייה נדירה של כדור הארץ ורווח ראמאן, הוא יכול ליצור פולסי ראמאן עם אנרגיות פולס בודדות-בטווח המיקרו-ג'אול. כפי שמוצג באיור 1, דיודת מיתוג הגבר- מייצרת לייזר פועם של 1065 ננומטר ברוחב פולס של 18.3 ps, מוגדר לקצב חזרות של 10 מגה-הרץ, המשמש כמקור המשאבה של המערכת. לייזר מתמשך-צר ברוחב קו של 1121 ננומטר-מתמשך פועל כמקור הזרע, ומזין בו-זמנית למגבר הסיבים המסומם של איטרביום-.
איור 1 סכימה של מערכת המגבר ההיברידית של Raman, סיבי לייזר נדיר-
כפי שמוצג באיור 2(א)-(d), ניתן להגביר את אנרגיית הפולס הבודדת- של פולס ה-Raman של 1121 ננומטר ל-~1 μJ, כאשר רוחב הפולס נדחס ל-589 fs. יעילות ההמרה המקסימלית של Raman מגיעה ל-69.9%, ויחס קצב החזרה של הדופק-ל-רעש משיג 81.1 dB. ללא הזרקת לייזר מתמשכת-תדירות אחת, המאפיינים של דופק רמאן של 1121 ננומטר מוצגים ב-(e)-(h). בתנאים אלה, דופק ה-Raman שנוצר מציג מאפיינים קרובים ל-רעש-, עם עוצמת רצף פעימה לא יציבה ויחס מופחת של-קצב חזרות-ל-יחס רעש של 67.4 dB. תוצאות ניסוי אלו מאשרות את ההיתכנות של NOGM של הגברה היברידית של Raman- נדירה של כדור הארץ ואת ההכרחיות של הזרקת זרע בתדר- יחיד.
איור 2 מאפייני לייזר דופק רמאן עם (a)-(d) הזרקת לייזר רציפה-יחידה- ו-(e)-(h) ללא הזרקת לייזר רציפה-תדירות אחת
במקביל, סימולציות מספריות דגלו את התפתחות הדופק בתנאים של רוחב פולס משאבה של 60 ps וקוטר ליבת סיבי רמאן של 14.5 מיקרומטר, כפי שמתואר באיור 3. התוצאות מצביעות על כך שניתן להשיג פלטי דופק רמאן בטווח של 10 μJ על ידי שימוש ב{4}קוטר גדול יותר של {5}וטר גדול יותר סיבי ראמאן.
איור 3 תוצאות סימולציה עבור רוחב דופק משאבה של 60 ps וקוטר ליבת סיבים של כ-14.5 מיקרומטר
מחקר זה מדגים מגבר היברידי Raman לייזר איטרביום סיב אולטרה-מהיר חדש, המשיג ~1 μJ של פלט לייזר Raman של 1121 ננומטר עם רוחב פולס הניתן לדחיסה של 589 fs. סימולציות מספריות נוספות מגלות ששימוש בלייזר משאבה עם רוחב פולס רחב יותר וסיבים עם קוטר ליבה גדול יותר עשוי להשיג תפוקות דופק פמט שנייה של רמאן בטווח של 10 μJ, המייצג מוקד מרכזי למחקרים הבאים. לייזר סיבי רמאן פמט שנייה זה, המסוגל לייצר פולסי אנרגיה- גבוהים באורכי גל ספציפיים, מציע תמיכה בטכנולוגיית מקור אור מבטיח ליישומים כגון עיבוד חומרים והדמיה ביו-רפואית.
