Недавно команда профессора Чжао Юна из Северо-Восточного университета, младшего научного сотрудника У Ханя из Сычуаньского университета, младшего научного сотрудника Ма Жуй из Шэньчжэньского университета и профессора Ван Цзинаня из Университета электронной науки и технологий Китая объединились, чтобы описать передовой прогресс в механизме, характеристиках и применении спектрального управления случайными волоконными лазерами. Они всесторонне представили ход исследований случайных волоконных лазеров с высокой спектральной чистотой, узкополосным выходом, гибкой настройкой длины волны и многоволновым выходом, кратко обобщили применение случайных волоконных лазеров на основе спектрального управления и с нетерпением ожидали перспектив развития, путей исследований и проблем, с которыми сталкиваются случайные волоконные лазеры на основе спектрального управления.
Как новый тип случайного лазера, случайный волоконный лазер стал горячей точкой исследований, разработанной в последнее десятилетие. По сравнению с традиционными волоконными лазерами с фиксированными резонансными структурами, случайные волоконные лазеры не требуют точных резонансных структур и имеют большую свободу структурного проектирования. Случайные волоконные лазеры имеют преимущества в эффективности преобразования, направленности, стоимости и т. д. и могут обеспечить хорошую платформу для создания различных форм высокопроизводительных лазеров. В частности, случайные волоконные лазеры на основе различных усиливающих сред обладают превосходной гибкостью длины волны и могут достигать лазерной генерации с произвольной длиной волны в диапазоне 1 ~ 2,1 мкм. В последние годы исследователи провели углубленные теоретические и экспериментальные исследования спектральных характеристик случайных волоконных лазеров. Благодаря спектральному регулированию случайные волоконные лазеры демонстрируют способность высокой спектральной чистоты, узкой полосы пропускания и многоволнового выхода. Кроме того, случайные волоконные лазеры с их уникальными спектральными характеристиками имеют широкие перспективы применения в волоконно-оптической связи, волоконно-оптическом зондировании, получении изображений без спеклов, генерации суперконтинуума, нелинейном преобразовании частоты, источниках лазерной накачки в среднем инфракрасном диапазоне и лазерно-инерционном термоядерном синтезе (рисунок 1).
Фундаментальные исследования спектральных характеристик случайных волоконных лазеров
Для того чтобы теоретически описать и проанализировать спектральные характеристики случайных волоконных лазеров и исследовать их физические законы, исследователи предложили модель равновесного состояния мощности, зависящую от спектра, нелинейную модель Шредингера и модель волновой динамики для точной оценки выходной мощности и процесса изменения спектра случайных волоконных лазеров. В последние годы исследователи экспериментально исследовали спектральные статистические характеристики случайных волоконных лазеров, ввели нарушение симметрии реплики в случайные волоконные лазеры и использовали методы статистического анализа, основанные на теории спинового стекла, для исследования беспорядка и нелинейных взаимодействий в случайных волоконных лазерах.
Случайные волоконные лазеры с превосходной гибкостью длины волны
Используя различные механизмы усиления, включая усиление нелинейного эффекта третьего порядка (например, вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна) и активное усиление легирования редкоземельными ионами (например, активные волокна, легированные иттербием, эрбием, эрбием/иттербием, висмутом и тулием), случайные волоконные лазеры могут работать в диапазоне 1-2.1 мкм. В случайных волоконных лазерах, использующих фиксированные накачки, объединение перестраиваемых фильтров или зависящих от длины волны точечных зеркал и изменение центральной длины волны фильтров или точечных зеркал может обеспечить плоскую и эффективную настройку длины волны в широком диапазоне. Кроме того, путем введения программируемых по длине волны точечных зеркал спектр случайных волоконных лазеров может быть запрограммирован и непрерывно настроен в соответствии с разработанной спектральной формой. В частности, для каскадных случайных рамановских волоконных лазеров на основе широкополосных точечных зеркал и обратной связи по обратному рассеянию длина волны лазера может непрерывно настраиваться в большом диапазоне путем непосредственного изменения длины волны накачки и мощности накачки.
Спектральное управление случайными волоконными лазерами
Каскадные случайные рамановские волоконные лазеры обладают превосходной гибкостью длины волны. Однако в процессе каскадного преобразования остаточный стоксов свет низкого порядка приведет к снижению спектральной чистоты лазера. Приняв новый тип стабильного во временной области источника накачки (такой как некогерентная широкополосная усиленная накачка спонтанного излучения, накачка иттербиевого легированного случайного волоконного лазера и накачка одночастотного лазера с расширенной шириной линии), исследователи добились множества каскадных случайных рамановских волоконных лазеров с высокой спектральной чистотой. С другой стороны, при высокой мощности накачки, на которую влияют нелинейные эффекты, такие как четырехволновое смешение и перекрестная фазовая модуляция в волокне, выходная спектральная полоса пропускания полностью открытого резонатора случайного волоконного лазера обычно составляет порядка нескольких нанометров. Для удовлетворения потребностей в источниках света с узкой шириной линии в таких сценариях, как высокоэффективное удвоение частоты лазера, высокоточные измерения и когерентная волоконная связь, узкополосные случайные волоконные лазеры могут быть получены путем добавления различных точечных отражателей с регулируемой формой спектра и полосой пропускания к структуре случайного волоконного лазера с полуоткрытым резонатором или путем использования различных усиливающих сред (например, вынужденного рассеяния Бриллюэна) и различных пассивных волокон (например, волокна, сохраняющие поляризацию, волокна с высоким рассеиванием), а также путем оптимизации схемы накачки. Кроме того, многоволновой выход случайных волоконных лазеров может быть достигнут путем добавления к лазеру элементов спектральной фильтрации или использования каскадного усиления вынужденного рассеяния Бриллюэна.
Применение случайных волоконных лазеров на основе спектрального управления
Структурная конструкция и гибкое преобразование длины волны случайных волоконных лазеров делают их более подходящими для реализации лазерной генерации в специальных диапазонах для удовлетворения потребностей таких приложений, как распределенное усиление сигнала, волоконное зондирование с высоким отношением сигнал/шум, нелинейное преобразование частоты и накачка в среднем инфракрасном диапазоне. В то же время, по сравнению с волоконными лазерами на основе резонансных полостей, спектрально немодальные случайные волоконные лазеры, как было доказано, имеют лучшую стабильность во временной области. Поэтому случайные волоконные лазеры имеют большие преимущества в сценариях применения с высокими требованиями к стабильности лазерного источника. Кроме того, низкая когерентность и спектральная управляемость случайных волоконных лазеров позволяют им демонстрировать уникальный потенциал применения в высокопроизводительной визуализации и лазерно-управляемом инерционном удержании.
