Di recente, il team del professor Zhao Yong della Northeastern University, del ricercatore associato Wu Han della Sichuan University, del ricercatore associato Ma Rui della Shenzhen University e del professor Wang Zinan della University of Electronic Science and Technology of China hanno collaborato per delineare i progressi di frontiera nel meccanismo, nelle caratteristiche e nelle applicazioni del controllo spettrale dei laser a fibra casuale. Hanno presentato in modo completo i progressi della ricerca sui laser a fibra casuale con elevata purezza spettrale, output a banda stretta, sintonizzazione flessibile della lunghezza d'onda e output multi-lunghezza d'onda, hanno riassunto brevemente l'applicazione dei laser a fibra casuale basati sul controllo spettrale e hanno guardato alle prospettive di sviluppo, ai percorsi di ricerca e alle sfide affrontate dai laser a fibra casuale basati sul controllo spettrale.
Come nuovo tipo di laser casuale, il laser a fibra casuale è stato un punto caldo della ricerca sviluppato nell'ultimo decennio. Rispetto ai tradizionali laser a fibra con strutture a cavità risonante fisse, i laser a fibra casuale non richiedono strutture a cavità risonante precise e hanno una maggiore libertà di progettazione strutturale. I laser a fibra casuale hanno vantaggi in termini di efficienza di conversione, direzionalità, costo, ecc. e possono fornire una buona piattaforma per la costruzione di varie forme di laser ad alte prestazioni. In particolare, i laser a fibra casuale basati su diversi supporti di guadagno hanno un'eccellente flessibilità di lunghezza d'onda e possono ottenere laser a lunghezza d'onda arbitraria nella banda 1~2,1µm. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno condotto ricerche teoriche e sperimentali approfondite sulle caratteristiche spettrali dei laser a fibra casuale. Attraverso la regolazione spettrale, i laser a fibra casuale dimostrano la capacità di elevata purezza spettrale, larghezza di banda stretta e output multi-lunghezza d'onda. Inoltre, i laser a fibra casuale, con le loro caratteristiche spettrali uniche, hanno ampie prospettive di applicazione nelle comunicazioni in fibra ottica, nella rilevazione in fibra ottica, nell'imaging senza speckle, nella generazione di supercontinuum, nella conversione di frequenza non lineare, nelle sorgenti di pompaggio laser nel medio infrarosso e nella fusione a confinamento inerziale guidata da laser (Figura 1).
Ricerca di base sulle caratteristiche spettrali dei laser a fibra casuale
Per descrivere e analizzare teoricamente le caratteristiche spettrali dei laser a fibra casuali ed esplorare le loro leggi fisiche, i ricercatori hanno proposto un modello di equilibrio stazionario di potenza dipendente dallo spettro, un modello di Schrödinger non lineare e un modello di dinamica delle onde per valutare accuratamente la potenza di uscita e il processo di cambiamento spettrale dei laser a fibra casuali. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno esplorato sperimentalmente le caratteristiche statistiche spettrali dei laser a fibra casuali, introdotto la rottura della simmetria di replica nei laser a fibra casuali e utilizzato metodi di analisi statistica basati sulla teoria del vetro di spin per esplorare il disordine e le interazioni non lineari nei laser a fibra casuali.
Laser a fibra casuale con eccellente flessibilità di lunghezza d'onda
Beneficiando di diversi meccanismi di guadagno, tra cui il guadagno dell'effetto non lineare di terzo ordine (come lo scattering Raman stimolato e lo scattering Brillouin stimolato) e il guadagno attivo del drogaggio di ioni di terre rare (come le fibre attive drogate con itterbio, erbio, erbio/itterbio, bismuto e tulio), i laser a fibra casuale possono funzionare nella banda 1-2.1µm. Nei laser a fibra casuale che utilizzano pompe fisse, la combinazione di filtri sintonizzabili o specchi puntiformi dipendenti dalla lunghezza d'onda e la modifica della lunghezza d'onda centrale dei filtri o degli specchi puntiformi può ottenere una sintonizzazione della lunghezza d'onda piatta ed efficiente su un'ampia gamma. Inoltre, introducendo specchi puntiformi programmabili in lunghezza d'onda, lo spettro dei laser a fibra casuale può essere programmato e sintonizzato continuamente in base alla forma spettrale progettata. In particolare, per i laser a fibra Raman casuali a cascata basati su specchi puntiformi a banda larga e feedback di retrodiffusione, la lunghezza d'onda laser può essere regolata in modo continuo su un'ampia gamma modificando direttamente la lunghezza d'onda della pompa e la potenza della pompa.
Controllo spettrale dei laser a fibra casuale
I laser a fibra Raman casuali a cascata hanno un'eccellente flessibilità di lunghezza d'onda. Tuttavia, durante il processo di conversione a cascata, la luce di Stokes di basso ordine residua causerà una diminuzione della purezza spettrale del laser. Adottando un nuovo tipo di sorgente di pompaggio stabile nel dominio del tempo (come il pompaggio di emissione spontanea amplificata a banda larga incoerente, il pompaggio laser a fibra casuale drogato con itterbio e il pompaggio laser a frequenza singola con larghezza di linea ampliata), i ricercatori hanno ottenuto una varietà di laser a fibra Raman casuali a cascata con elevata purezza spettrale. D'altro canto, sotto un'elevata potenza di pompaggio, influenzata da effetti non lineari come la miscelazione a quattro onde e la modulazione di fase incrociata nella fibra, la larghezza di banda spettrale in uscita del laser a fibra casuale a cavità completamente aperta è generalmente nell'ordine di diversi nanometri. Per soddisfare le esigenze di sorgenti luminose a larghezza di linea stretta in scenari quali raddoppio della frequenza laser ad alta efficienza, misurazione ad alta precisione e comunicazione in fibra coerente, è possibile ottenere laser a fibra casuale a banda stretta aggiungendo vari riflettori puntiformi con forma spettrale e larghezza di banda regolabili alla struttura laser a fibra casuale a cavità semi-aperta, oppure utilizzando diversi supporti di guadagno (come la diffusione Brillouin stimolata) e diverse fibre passive (come la fibra a mantenimento della polarizzazione, la fibra ad alta diffusione) e ottimizzando lo schema di pompaggio. Inoltre, è possibile ottenere un output multi-lunghezza d'onda di laser a fibra casuale aggiungendo elementi di filtraggio spettrale al laser o utilizzando il guadagno della diffusione Brillouin stimolata a cascata.
Applicazione di laser a fibra casuale basati sul controllo spettrale
La progettazione strutturale e la conversione flessibile della lunghezza d'onda dei laser a fibra casuale li rendono più adatti per realizzare laser lasing in bande speciali per soddisfare le esigenze di applicazioni quali amplificazione del segnale distribuito, rilevamento della fibra con elevato rapporto segnale/rumore, conversione di frequenza non lineare e pompaggio a medio infrarosso. Allo stesso tempo, rispetto ai laser a fibra basati su strutture a cavità risonante, è stato dimostrato che i laser a fibra casuale spettralmente senza modalità hanno una migliore stabilità del dominio temporale. Pertanto, i laser a fibra casuale presentano maggiori vantaggi in scenari applicativi con elevati requisiti di stabilità della sorgente laser. Inoltre, la bassa coerenza e la controllabilità spettrale dei laser a fibra casuale consentono loro di mostrare un potenziale applicativo unico nell'imaging ad alte prestazioni e nella fusione a confinamento inerziale guidata da laser.
