अति-उच्च पुनरावृत्ती दराचा स्पंदित लेझर

अति-उच्च पुनरावृत्ती दराचा स्पंदित लेझर

प्रकाश आणि पदार्थ यांच्यातील आंतरक्रियेच्या सूक्ष्म जगात, अति-उच्च पुनरावृत्ती दराचे स्पंद (UHRPs) वेळेचे अचूक मापक म्हणून काम करतात – ते प्रति सेकंद एक अब्जाहून अधिक वेळा (1GHz) दोलन करतात, स्पेक्ट्रल इमेजिंगमध्ये कर्करोगाच्या पेशींचे आण्विक ठसे टिपतात, ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशनमध्ये प्रचंड प्रमाणात डेटा वाहून नेतात आणि दुर्बिणींमध्ये ताऱ्यांच्या तरंगलांबीच्या निर्देशांकांचे अंशांकन करतात. विशेषतः लिडारच्या शोध परिमाणाच्या प्रगतीमध्ये, टेराहर्ट्झ अति-उच्च पुनरावृत्ती दराचे स्पंदित लेझर (100-300 GHz) हे व्यतिकरण थर भेदण्यासाठी शक्तिशाली साधने बनत आहेत, आणि फोटॉन स्तरावरील अवकाशी-कालानुरूप हाताळणीच्या शक्तीने त्रिमितीय आकलनाच्या सीमांना नव्याने आकार देत आहेत. सध्या, फोर-वेव्ह मिक्सिंग (FWM) निर्माण करण्यासाठी नॅनोस्केल प्रक्रिया अचूकतेची आवश्यकता असलेल्या मायक्रो-रिंग कॅव्हिटीजसारख्या कृत्रिम सूक्ष्म-संरचनांचा वापर करणे, ही अति-उच्च पुनरावृत्ती दराचे ऑप्टिकल स्पंद मिळवण्याच्या मुख्य पद्धतींपैकी एक आहे. शास्त्रज्ञ अतिसूक्ष्म संरचनांच्या प्रक्रियेतील अभियांत्रिकी समस्या, स्पंद प्रारंभादरम्यानची वारंवारता जुळवणीची समस्या आणि स्पंद निर्मितीनंतरच्या रूपांतरण कार्यक्षमतेची समस्या सोडवण्यावर लक्ष केंद्रित करत आहेत. दुसरा दृष्टिकोन म्हणजे अत्यंत अरैखिक तंतूंचा वापर करणे आणि UHRPs उत्तेजित करण्यासाठी लेझर पोकळीतील मॉड्युलेशन अस्थिरता प्रभाव किंवा FWM प्रभावाचा उपयोग करणे. आतापर्यंत, आपल्याला अजूनही अधिक कुशल "टाइम शेपर"ची गरज आहे.

क्षयकारी FWM प्रभावाला उत्तेजित करण्यासाठी अतिवेगवान स्पंद (ultrafast pulses) अंतःक्षेपित करून UHRP निर्माण करण्याच्या प्रक्रियेला “अतिवेगवान प्रज्वलन” (ultrafast ignition) असे म्हटले जाते. वर नमूद केलेल्या कृत्रिम मायक्रोरिंग कॅव्हिटी योजनेपेक्षा वेगळे, ज्यामध्ये सतत पंपिंग, स्पंद निर्मिती नियंत्रित करण्यासाठी डिट्यूनिंगचे अचूक समायोजन आणि FWM थ्रेशोल्ड कमी करण्यासाठी अत्यंत अरेखीय माध्यमांचा वापर आवश्यक असतो, हे “प्रज्वलन” थेट FWM उत्तेजित करण्यासाठी अतिवेगवान स्पंदांच्या शिखर शक्तीच्या वैशिष्ट्यांवर अवलंबून असते आणि “प्रज्वलन बंद” झाल्यावर, स्वयंपोषक UHRP प्राप्त करते.

आकृती १, क्षयकारी फायबर रिंग कॅव्हिटीजच्या अतिवेगवान सीड पल्स उत्तेजनावर आधारित पल्स स्व-संघटन साध्य करण्याची मुख्य यंत्रणा स्पष्ट करते. बाहेरून इंजेक्ट केलेला अतिलघु सीड पल्स (आवर्तकाल T0, पुनरावृत्ती वारंवारता F) हा क्षयकारी कॅव्हिटीमध्ये उच्च-शक्तीचे पल्स क्षेत्र उत्तेजित करण्यासाठी "प्रज्वलन स्रोत" म्हणून काम करतो. इंट्रासेल्युलर गेन मॉड्यूल, स्पेक्ट्रल शेपरसोबत समन्वय साधून, टाइम-फ्रिक्वेन्सी डोमेनमध्ये संयुक्त नियमनाद्वारे सीड पल्स ऊर्जेचे कंघी-आकाराच्या स्पेक्ट्रल प्रतिसादात रूपांतर करतो. ही प्रक्रिया पारंपरिक सतत पंपिंगच्या मर्यादा ओलांडते: जेव्हा सीड पल्स क्षयकारी FWM थ्रेशोल्डवर पोहोचतो, तेव्हा तो बंद होतो, आणि क्षयकारी कॅव्हिटी गेन आणि लॉसच्या गतिशील संतुलनाद्वारे पल्सची स्व-संघटित अवस्था टिकवून ठेवते, ज्यामध्ये पल्स पुनरावृत्ती वारंवारता Fs असते (जी कॅव्हिटीची आंतरिक वारंवारता FF आणि आवर्तकाल T शी संबंधित आहे).

या अभ्यासात सैद्धांतिक पडताळणी देखील करण्यात आली. प्रायोगिक मांडणीमध्ये स्वीकारलेल्या मापदंडांवर आधारित आणि 1ps सहअतिवेगवान पल्स लेझरसुरुवातीचे क्षेत्र म्हणून, लेझर कॅव्हिटीमधील पल्सच्या टाइम डोमेन आणि फ्रिक्वेन्सीच्या उत्क्रांती प्रक्रियेवर संख्यात्मक सिम्युलेशन केले गेले. असे आढळून आले की पल्स तीन टप्प्यांमधून जाते: पल्स स्प्लिटिंग, पल्स पिरियॉडिक ऑसिलेशन आणि संपूर्ण लेझर कॅव्हिटीमध्ये पल्सचे एकसमान वितरण. हा संख्यात्मक निकाल लेझर कॅव्हिटीच्या स्व-संघटन वैशिष्ट्यांची देखील पूर्णपणे पडताळणी करतो.पल्स लेझर.

अतिवेगवान सीड पल्स प्रज्वलनाद्वारे डिसिपेटिव्ह फायबर रिंग कॅव्हिटीमध्ये फोर-वेव्ह मिक्सिंग इफेक्ट सुरू करून, सब-THZ अति-उच्च पुनरावृत्ती वारंवारतेच्या पल्सेसची (सीड बंद झाल्यावर 0.5W पॉवरचे स्थिर आउटपुट) स्व-संघटित निर्मिती आणि देखभाल यशस्वीरित्या साध्य करण्यात आली, ज्यामुळे लिडार क्षेत्रासाठी एका नवीन प्रकारचा प्रकाश स्रोत उपलब्ध झाला: त्याची सब-THZ स्तरावरील रीफ्रिक्वेन्सी पॉइंट क्लाउड रिझोल्यूशनला मिलिमीटर स्तरापर्यंत वाढवू शकते. पल्सच्या स्व-टिकून राहण्याच्या वैशिष्ट्यामुळे सिस्टीमचा ऊर्जा वापर लक्षणीयरीत्या कमी होतो. संपूर्ण-फायबर रचना 1.5 μm डोळ्यांच्या सुरक्षितता बँडमध्ये उच्च स्थिरतेची खात्री देते. भविष्याचा विचार करता, हे तंत्रज्ञान वाहनावर बसवलेल्या लिडारच्या उत्क्रांतीला लघुकरणाकडे (MZI मायक्रो-फिल्टर्सवर आधारित) आणि दूर-पल्ल्याच्या डिटेक्शनकडे (पॉवर विस्तार > 1W पर्यंत) नेईल, आणि बहु-तरंगलांबी समन्वित प्रज्वलन व बुद्धिमान नियमनाद्वारे जटिल वातावरणाच्या आकलन आवश्यकतांशी अधिक जुळवून घेईल अशी अपेक्षा आहे.