Son zamanlarda, Northeastern Üniversitesi'nden Profesör Zhao Yong, Sichuan Üniversitesi'nden Yardımcı Araştırmacı Wu Han, Shenzhen Üniversitesi'nden Yardımcı Araştırmacı Ma Rui ve Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Wang Zinan'dan oluşan ekip, rastgele fiber lazerlerin spektral kontrolünün mekanizması, özellikleri ve uygulamalarındaki sınır ötesi ilerlemeyi özetlemek için iş birliği yaptı. Yüksek spektral saflığa, dar bant çıktısına, esnek dalga boyu ayarına ve çok dalga boyu çıktısına sahip rastgele fiber lazerlerin araştırma ilerlemesini kapsamlı bir şekilde tanıttılar, spektral kontrole dayalı rastgele fiber lazerlerin uygulamasını kısaca özetlediler ve spektral kontrole dayalı rastgele fiber lazerlerin geliştirme beklentilerini, araştırma yollarını ve karşılaştığı zorlukları dört gözle beklediler.
Yeni bir rastgele lazer türü olarak, rastgele fiber lazer son on yılda geliştirilen bir araştırma merkezi olmuştur. Sabit rezonans boşluk yapılarına sahip geleneksel fiber lazerlerle karşılaştırıldığında, rastgele fiber lazerler hassas rezonans boşluk yapıları gerektirmez ve daha yüksek yapısal tasarım özgürlüğüne sahiptir. Rastgele fiber lazerler dönüşüm verimliliği, yönlülük, maliyet vb. açısından avantajlara sahiptir ve çeşitli yüksek performanslı lazer formlarının inşası için iyi bir platform sağlayabilir. Özellikle, farklı kazanç ortamlarına dayanan rastgele fiber lazerler mükemmel dalga boyu esnekliğine sahiptir ve 1~2.1µm bandında keyfi dalga boyu lazer lazerlemesi elde edebilir. Son yıllarda, araştırmacılar rastgele fiber lazerlerin spektral özellikleri üzerine derinlemesine teorik ve deneysel araştırmalar yürütmüşlerdir. Spektral düzenleme yoluyla, rastgele fiber lazerler yüksek spektral saflık, dar bant genişliği ve çok dalga boylu çıkış yeteneğini göstermektedir. Ayrıca, benzersiz spektral özelliklere sahip olan rastgele fiber lazerler, fiber optik iletişim, fiber optik algılama, beneksiz görüntüleme, süper süreklilik üretimi, doğrusal olmayan frekans dönüşümü, orta kızılötesi lazer pompası kaynakları ve lazerle çalışan eylemsiz hapsetme füzyonunda geniş uygulama beklentilerine sahiptir (Şekil 1).
Rastgele fiber lazerlerin spektral özellikleri üzerine temel araştırma
Rastgele fiber lazerlerin spektral özelliklerini teorik olarak tanımlamak ve analiz etmek ve fiziksel yasalarını keşfetmek için araştırmacılar, rastgele fiber lazerlerin çıkış gücünü ve spektral değişim sürecini doğru bir şekilde değerlendirmek için spektruma bağlı bir güç sabit durum denge modeli, doğrusal olmayan bir Schrödinger modeli ve bir dalga dinamiği modeli önerdiler. Son yıllarda araştırmacılar, rastgele fiber lazerlerin spektral istatistiksel özelliklerini deneysel olarak araştırdılar, rastgele fiber lazerlere replika simetri kırılmasını tanıttılar ve rastgele fiber lazerlerdeki düzensizliği ve doğrusal olmayan etkileşimleri keşfetmek için spin cam teorisine dayalı istatistiksel analiz yöntemlerini kullandılar.
Mükemmel dalga boyu esnekliğine sahip rastgele fiber lazerler
Üçüncü dereceden doğrusal olmayan etki kazancı (uyarılmış Raman saçılması ve uyarılmış Brillouin saçılması gibi) ve nadir toprak iyon katkılı aktif kazanç (itterbiyum, erbiyum, erbiyum/itterbiyum, bizmut ve tulyum katkılı aktif lifler gibi) dahil olmak üzere farklı kazanç mekanizmalarından yararlanarak, rastgele fiber lazerler 1-2.1µm bandında çalışabilir. Sabit pompalar kullanan rastgele fiber lazerlerde, ayarlanabilir filtreler veya dalga boyuna bağlı nokta aynaları birleştirilerek ve filtrelerin veya nokta aynalarının merkez dalga boyu değiştirilerek geniş bir aralıkta düz ve verimli dalga boyu ayarı elde edilebilir. Ayrıca, dalga boyu programlanabilir nokta aynaları tanıtılarak, rastgele fiber lazerlerin spektrumu tasarlanan spektral şekle göre programlanabilir ve sürekli olarak ayarlanabilir. Özellikle geniş bant nokta aynaları ve geri saçılma geribildirimine dayalı kademeli rastgele Raman fiber lazerler için, pompa dalga boyunu ve pompa gücünü doğrudan değiştirerek lazer dalga boyu geniş bir aralıkta sürekli olarak ayarlanabilir.
Rastgele fiber lazerlerin spektral kontrolü
Basamaklı rastgele Raman fiber lazerler mükemmel dalga boyu esnekliğine sahiptir. Ancak, basamaklı dönüşüm süreci sırasında, kalan düşük dereceli Stokes ışığı lazerin spektral saflığının azalmasına neden olacaktır. Yeni bir tür zaman alanı kararlı pompa kaynağı (örneğin, tutarsız geniş bantlı yükseltilmiş kendiliğinden emisyon pompalaması, iterbiyum katkılı rastgele fiber lazer pompalaması ve hat genişliği genişletilmiş tek frekanslı lazer pompalaması) benimseyerek, araştırmacılar yüksek spektral saflığa sahip çeşitli basamaklı rastgele Raman fiber lazerler elde ettiler. Öte yandan, yüksek pompa gücü altında, fiberde dört dalga karıştırma ve çapraz faz modülasyonu gibi doğrusal olmayan etkilerden etkilendiğinde, tamamen açık boşluklu rastgele fiber lazerin çıkış spektral bant genişliği genellikle birkaç nanometre mertebesindedir. Yüksek verimli lazer frekans iki katına çıkarma, yüksek hassasiyetli ölçüm ve tutarlı fiber iletişimi gibi senaryolarda dar hat genişliğine sahip ışık kaynaklarının ihtiyaçlarını karşılamak için, yarı açık boşluklu rastgele fiber lazer yapısına ayarlanabilir spektral şekil ve bant genişliğine sahip çeşitli nokta reflektörler eklenerek veya farklı kazanç ortamları (uyarılmış Brillouin saçılması gibi) ve farklı pasif fiberler (polarizasyon koruyan fiber, yüksek saçılma fiber gibi) kullanılarak ve pompalama şeması optimize edilerek dar bantlı rastgele fiber lazerler elde edilebilir. Ayrıca, lazere spektral filtreleme elemanları eklenerek veya kademeli uyarılmış Brillouin saçılması kazancı kullanılarak rastgele fiber lazerlerin çok dalga boylu çıkışı elde edilebilir.
Spektral kontrole dayalı rastgele fiber lazerlerin uygulanması
Rastgele fiber lazerlerin yapısal tasarımı ve esnek dalga boyu dönüşümü, dağıtılmış sinyal amplifikasyonu, yüksek sinyal-gürültü oranı fiber algılama, doğrusal olmayan frekans dönüşümü ve orta kızılötesi pompalama gibi uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için özel bantlarda lazer lazerlemeyi gerçekleştirmek için onları daha uygun hale getirir. Aynı zamanda, rezonans boşluk yapılarına dayalı fiber lazerlerle karşılaştırıldığında, spektral olarak modelsiz rastgele fiber lazerlerin daha iyi zaman alanı kararlılığına sahip olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, rastgele fiber lazerler, lazer kaynağı kararlılığı için yüksek gereksinimlerin olduğu uygulama senaryolarında daha büyük avantajlara sahiptir. Ek olarak, rastgele fiber lazerlerin düşük tutarlılığı ve spektral kontrol edilebilirliği, bunların yüksek performanslı görüntüleme ve lazerle çalışan eylemsiz hapsetme füzyonunda benzersiz uygulama potansiyeli göstermelerini sağlar.
