Teknologi laser serat ultracepat menghasilkan pulsa laser ultrapendek tingkat femtodetik atau pikodetik, yang menawarkan keunggulan seperti kualitas sinar tinggi, stabilitas luar biasa, dan struktur kompak. Ia menemukan aplikasi luas dalam pemrosesan presisi, penelitian biomedis, spektroskopi, dan komunikasi. Laser serat ultracepat tradisional menggunakan serat yang diolah-tanah jarang-sebagai media penguatan, memanfaatkan struktur energi multi-tingkat ion tanah-langka untuk mencapai emisi terstimulasi. Namun, karena jarak tingkat energi yang tetap dan lebar spektral transisi ion tanah jarang yang terbatas, keluaran laser terbatas pada rentang spektral diskrit, sehingga secara signifikan membatasi cakupan penerapan laser serat ultracepat. Memperluas panjang gelombang keluaran laser serat ultracepat melampaui rentang yang dicakup oleh transisi ion bukan hanya merupakan kemajuan alami dalam pengembangan teknologi ultracepat namun juga menjawab tuntutan praktis di seluruh penelitian ilmiah, aplikasi medis, pertahanan, dan bidang lainnya.
Laser serat Raman ultracepat mewakili metode efektif untuk menghasilkan pulsa laser pada panjang gelombang tertentu. Teknik arus utama saat ini untuk menghasilkan laser Raman ultracepat meliputi penguncian mode-, pemompaan sinkron, dan modulasi penguatan optik nonlinier (NOGM). Penguncian-mode biasanya menggunakan pemompaan gelombang-kontinyu, yang memerlukan puluhan hingga ratusan meter serat untuk mencapai penguatan Raman yang memadai, sehingga menghasilkan resonator dengan dispersi dan nonlinier yang signifikan. Pemompaan sinkron menggunakan pemompaan berdenyut, yang secara efektif memperpendek panjang resonator. Namun, hal ini memerlukan sinkronisasi antara pulsa pompa dan pulsa Raman, sehingga meningkatkan kompleksitas sistem. Kedua teknik tersebut mengandalkan struktur resonator serat, membatasi keluaran energi pulsa Raman hingga kisaran nJ. Sebaliknya, teknologi NOGM menggunakan konfigurasi penguat serat Raman yang disuntikkan{9}}benih frekuensi{10}}tunggal untuk menghasilkan pulsa laser Raman berenergi tinggi. Saat ini, pulsa Raman yang dihasilkan menggunakan teknik ini mencapai kisaran ratusan nJ. Mengoptimalkan arsitektur sistem untuk menghasilkan energi{14}pulsa Raman yang lebih tinggi adalah fokus penelitian utama.
Langka-Amplifier Hibrida Raman Bumi
Tim peneliti gabungan yang terdiri dari Profesor Zhou Jiaqi dari Departemen Teknologi dan Sistem Laser Dirgantara di SIOM, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, dan Profesor Feng Yan dari Institut Penelitian Lanjutan Shanghai USTC, menggabungkan teknologi NOGM dengan penguat serat yang didoping ytterbium-. Dengan memanfaatkan mekanisme amplifikasi hibrid ion tanah jarang dan hamburan Raman terstimulasi (SRS), menghasilkan keluaran laser Raman yang sangat cepat pada panjang gelombang 1121 nm dengan kemampuan mikrofokalisasi, yang lebar pulsanya dapat dikompresi hingga 589 fs.
Dalam sistem NOGM pada umumnya, sebuah-laser kontinu berfrekuensi tunggal berfungsi sebagai sumber benih, diperkuat dan dibentuk dalam satu serat; laser ultracepat bertindak sebagai sumber pompa, memberikan penguatan optik nonlinier melalui SRS. Amplifikasi hanya terjadi di wilayah tumpang tindih temporal antara laser kontinu berfrekuensi tunggal dan laser pompa, yang pada akhirnya mengubahnya menjadi pulsa Raman yang disinkronkan dengan laser pompa. Dalam sistem NOGM konvensional, unit amplifikasi energi pulsa pompa dan unit konversi frekuensi optik nonlinier dipisahkan: multiplexer divisi panjang gelombang berdaya tinggi diperlukan untuk memasangkan pulsa pompa energi tinggi dengan benih laser kontinu frekuensi tunggal; selain itu, penyambungan fusi serat aktif dan pasif dalam kondisi-daya tinggi menimbulkan risiko terhadap-stabilitas sistem jangka panjang. Tim peneliti mengembangkan amplifier hybrid Raman tanah jarang dan laser serat ultracepat baru. Dengan memanfaatkan serat doping ytterbium-untuk secara bersamaan memberikan penguatan tanah jarang dan penguatan Raman, serat ini dapat menghasilkan pulsa Raman dengan energi pulsa tunggal dalam rentang mikrojoule. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dioda pengalihan penguatan menghasilkan laser berdenyut 1065 nm dengan lebar pulsa 18,3 ps, diatur ke tingkat pengulangan 10 MHz, yang berfungsi sebagai sumber pompa sistem. Laser kontinu berfrekuensi tunggal semikonduktor dengan lebar garis sempit 1121 nm bertindak sebagai sumber benih, yang secara bersamaan dimasukkan ke dalam penguat serat yang didoping ytterbium{25}}.
Gambar 1 Skema sistem penguat hibrida Raman bumi langka-serat ultracepat
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(a)-(d), energi pulsa-tunggal dari pulsa Raman 1121 nm dapat diperkuat hingga ~1 μJ, dengan lebar pulsa dikompresi hingga 589 fs. Efisiensi konversi Raman maksimum mencapai 69,9%, dan rasio sinyal-terhadap-kebisingan pengulangan pulsa mencapai 81,1 dB. Tanpa injeksi laser kontinu frekuensi-tunggal, karakteristik pulsa Raman 1121 nm ditunjukkan pada (e)-(h). Dalam kondisi ini, pulsa Raman yang dihasilkan menunjukkan karakteristik yang mendekati-kebisingan-, dengan intensitas urutan pulsa yang tidak stabil dan rasio-kecepatan sinyal-terhadap{20}}pengulangan yang berkurang sebesar 67,4 dB. Hasil eksperimen ini mengonfirmasi kelayakan NOGM amplifikasi hibrida Raman tanah jarang dan perlunya injeksi benih frekuensi tunggal.
Gambar 2 Karakteristik laser pulsa Raman dengan (a)-(d) injeksi laser kontinu frekuensi tunggal-dan (e)-(h) tanpa injeksi laser kontinu frekuensi tunggal-
Secara bersamaan, simulasi numerik memodelkan evolusi pulsa dalam kondisi lebar pulsa pompa 60 ps dan diameter inti serat Raman sebesar 14,5 μm, seperti digambarkan dalam Gambar 3. Hasil menunjukkan bahwa keluaran pulsa Raman dalam kisaran 10 μJ dapat dicapai dengan menggunakan pulsa pompa yang lebih lebar dan serat Raman berdiameter-inti-yang lebih besar.
Gambar 3 Hasil simulasi untuk lebar pulsa pompa 60 ps dan diameter inti serat sekitar 14,5 μm
Studi ini mendemonstrasikan penguat hibrida Raman laser serat ultracepat baru ytterbium-, yang menghasilkan ~1 μJ keluaran laser Raman 1121 nm dengan lebar pulsa yang dapat dikompresi hingga 589 fs. Simulasi numerik lebih lanjut mengungkapkan bahwa penggunaan laser pompa dengan lebar pulsa lebih luas dan serat dengan diameter inti lebih besar berpotensi mencapai keluaran pulsa Raman femtodetik dalam kisaran 10 μJ, yang mewakili fokus utama untuk penelitian selanjutnya. Laser serat Raman femtodetik ini, yang mampu menghasilkan pulsa energi-tinggi pada panjang gelombang tertentu, menawarkan dukungan teknologi sumber cahaya yang menjanjikan untuk aplikasi seperti pemrosesan material dan pencitraan biomedis.
