ليزر نبضي بمعدل تكرار عالي للغاية

ليزر نبضي بمعدل تكرار عالي للغاية

في العالم المجهري للتفاعل بين الضوء والمادة، تعمل نبضات معدل التكرار الفائق (UHRPs) كمساطر دقيقة للوقت - فهي تتذبذب بأكثر من مليار مرة في الثانية (1 جيجاهرتز)، ملتقطةً البصمات الجزيئية للخلايا السرطانية في التصوير الطيفي، وحاملةً كميات هائلة من البيانات في اتصالات الألياف الضوئية، ومعايرةً إحداثيات الطول الموجي للنجوم في التلسكوبات. وخاصةً في قفزة بُعد الكشف لليدار، أصبحت ليزرات نبضات معدل التكرار الفائق تيراهرتز (100-300 جيجاهرتز) أدوات قوية لاختراق طبقة التداخل، وإعادة تشكيل حدود الإدراك ثلاثي الأبعاد بقوة التلاعب المكاني الزمني على مستوى الفوتون. في الوقت الحاضر، يُعد استخدام الهياكل الدقيقة الاصطناعية، مثل تجاويف الحلقات الدقيقة التي تتطلب دقة معالجة نانوية لتوليد خلط رباعي الموجات (FWM)، إحدى الطرق الرئيسية للحصول على نبضات بصرية بمعدل تكرار فائق. يركز العلماء على حل المشكلات الهندسية في معالجة الهياكل فائقة الدقة، ومشكلة ضبط التردد أثناء بدء النبضة، ومشكلة كفاءة التحويل بعد توليدها. ويتمثل نهج آخر في استخدام ألياف غير خطية للغاية، والاستفادة من تأثير عدم استقرار التعديل (FWM) داخل تجويف الليزر لإثارة نبضات فائقة الدقة. وحتى الآن، ما زلنا بحاجة إلى "مُشكِّل زمني" أكثر براعة.

تُوصف عملية توليد UHRP عن طريق حقن نبضات فائقة السرعة لإثارة تأثير FWM المُبدِّد بـ"الاشتعال فائق السرعة". يختلف هذا "الاشتعال" عن مخطط تجويف الحلقة الدقيقة الاصطناعي المذكور سابقًا، والذي يتطلب ضخًا مستمرًا، وضبطًا دقيقًا لضبط النبضات للتحكم في توليد النبضات، واستخدام وسائط غير خطية للغاية لخفض عتبة FWM، حيث يعتمد على خصائص ذروة الطاقة للنبضات فائقة السرعة لإثارة FWM مباشرةً، وبعد إيقاف الاشتعال، يتم تحقيق UHRP ذاتي الاستدامة.

يوضح الشكل 1 الآلية الأساسية لتحقيق التنظيم الذاتي للنبضات استنادًا إلى إثارة نبضات البذرة فائقة السرعة لتجويفات حلقات الألياف التبديدية. تعمل نبضة البذرة فائقة القصر المحقونة خارجيًا (الفترة T0، تردد التكرار F) بمثابة "مصدر إشعال" لإثارة مجال نبضي عالي الطاقة داخل تجويف التبديد. تعمل وحدة الكسب داخل الخلايا بالتآزر مع مُشكِّل الطيف لتحويل طاقة نبضة البذرة إلى استجابة طيفية على شكل مشط من خلال التنظيم المشترك في نطاق التردد الزمني. تكسر هذه العملية قيود الضخ المستمر التقليدي: تتوقف نبضة البذرة عند وصولها إلى عتبة FWM للتبديد، ويحافظ تجويف التبديد على حالة التنظيم الذاتي للنبضة من خلال التوازن الديناميكي بين الكسب والخسارة، مع كون تردد تكرار النبضة Fs (المقابل للتردد الجوهري FF والفترة T للتجويف).

أجرت هذه الدراسة أيضًا تحققًا نظريًا. بناءً على المعلمات المعتمدة في الإعداد التجريبي وباستخدام 1psليزر نبضي فائق السرعةكحقل أولي، أُجريت محاكاة عددية لعملية تطور المجال الزمني والتردد للنبضة داخل تجويف الليزر. وُجد أن النبضة مرت بثلاث مراحل: انقسام النبضة، وتذبذب النبض الدوري، وتوزيع النبضة المنتظم في جميع أنحاء تجويف الليزر. كما تُثبت هذه النتيجة العددية تمامًا خصائص التنظيم الذاتي لـليزر نبضي.

من خلال تحفيز تأثير خلط الموجات الأربع داخل تجويف حلقة الألياف التبديدية من خلال اشتعال نبضة البذور فائقة السرعة، تم تحقيق توليد وصيانة نبضات ذات تردد تكرار فائق الارتفاع دون THZ (خرج مستقر من طاقة 0.5 واط بعد إيقاف تشغيل البذور) بنجاح، مما يوفر نوعًا جديدًا من مصدر الضوء لحقل الليدار: يمكن لتردد مستوى دون THZ أن يعزز دقة سحابة النقاط إلى مستوى المليمتر. تعمل ميزة الاستدامة الذاتية للنبضة على تقليل استهلاك طاقة النظام بشكل كبير. يضمن الهيكل الكامل للألياف تشغيلًا عالي الاستقرار في نطاق أمان العين 1.5 ميكرومتر. بالنظر إلى المستقبل، من المتوقع أن تدفع هذه التقنية تطور الليدار المثبت على المركبات نحو التصغير (بناءً على مرشحات MZI الدقيقة) والكشف بعيد المدى (توسيع الطاقة إلى > 1 واط)، والتكيف بشكل أكبر مع متطلبات الإدراك للبيئات المعقدة من خلال الاشتعال المنسق متعدد الأطوال الموجية والتنظيم الذكي.