Recentemente, a equipe do Professor Zhao Yong da Northeastern University, do Pesquisador Associado Wu Han da Sichuan University, do Pesquisador Associado Ma Rui da Shenzhen University e do Professor Wang Zinan da University of Electronic Science and Technology da China colaboraram para delinear o progresso de fronteira no mecanismo, características e aplicações do controle espectral de lasers de fibra aleatória. Eles introduziram de forma abrangente o progresso da pesquisa de lasers de fibra aleatória com alta pureza espectral, saída de banda estreita, ajuste de comprimento de onda flexível e saída de vários comprimentos de onda, resumiram brevemente a aplicação de lasers de fibra aleatória com base no controle espectral e aguardaram as perspectivas de desenvolvimento, caminhos de pesquisa e desafios enfrentados por lasers de fibra aleatória com base no controle espectral.
Como um novo tipo de laser aleatório, o laser de fibra aleatório tem sido um ponto de pesquisa desenvolvido na última década. Comparados com lasers de fibra tradicionais com estruturas de cavidade ressonante fixas, os lasers de fibra aleatórios não requerem estruturas de cavidade ressonante precisas e têm maior liberdade de design estrutural. Os lasers de fibra aleatórios têm vantagens em eficiência de conversão, direcionalidade, custo, etc., e podem fornecer uma boa plataforma para a construção de várias formas de lasers de alto desempenho. Em particular, os lasers de fibra aleatórios baseados em diferentes meios de ganho têm excelente flexibilidade de comprimento de onda e podem atingir laser de comprimento de onda arbitrário na banda de 1~2,1 µm. Nos últimos anos, os pesquisadores conduziram pesquisas teóricas e experimentais aprofundadas sobre as características espectrais dos lasers de fibra aleatórios. Por meio da regulação espectral, os lasers de fibra aleatórios demonstram a capacidade de alta pureza espectral, largura de banda estreita e saída de vários comprimentos de onda. Além disso, os lasers de fibra aleatória, com suas características espectrais únicas, têm amplas perspectivas de aplicação em comunicações por fibra óptica, detecção por fibra óptica, imagens sem manchas, geração de supercontínuo, conversão de frequência não linear, fontes de bombeamento de laser no infravermelho médio e fusão de confinamento inercial acionada por laser (Figura 1).
Pesquisa básica sobre as características espectrais de lasers de fibra aleatória
Para descrever e analisar teoricamente as características espectrais de lasers de fibra aleatória e explorar suas leis físicas, pesquisadores propuseram um modelo de equilíbrio de estado estacionário de potência dependente do espectro, um modelo de Schrödinger não linear e um modelo de dinâmica de onda para avaliar com precisão a potência de saída e o processo de mudança espectral de lasers de fibra aleatória. Nos últimos anos, pesquisadores exploraram experimentalmente as características estatísticas espectrais de lasers de fibra aleatória, introduziram quebra de simetria de réplica em lasers de fibra aleatória e usaram métodos de análise estatística baseados na teoria do vidro de spin para explorar a desordem e as interações não lineares em lasers de fibra aleatória.
Lasers de fibra aleatória com excelente flexibilidade de comprimento de onda
Beneficiando-se de diferentes mecanismos de ganho, incluindo ganho de efeito não linear de terceira ordem (como espalhamento Raman estimulado e espalhamento Brillouin estimulado) e ganho ativo de dopagem de íons de terras raras (como fibras ativas dopadas com itérbio, érbio, érbio/itérbio, bismuto e túlio), lasers de fibra aleatória podem operar na banda de 1-2.1µm. Em lasers de fibra aleatória usando bombas fixas, combinar filtros ajustáveis ou espelhos pontuais dependentes do comprimento de onda e alterar o comprimento de onda central dos filtros ou espelhos pontuais pode atingir um ajuste de comprimento de onda plano e eficiente em uma ampla faixa. Além disso, ao introduzir espelhos pontuais programáveis por comprimento de onda, o espectro de lasers de fibra aleatória pode ser programado e continuamente ajustado de acordo com a forma espectral projetada. Em particular, para lasers de fibra Raman aleatórios em cascata baseados em espelhos pontuais de banda larga e feedback de retrodispersão, o comprimento de onda do laser pode ser continuamente ajustado em uma ampla faixa alterando diretamente o comprimento de onda e a potência da bomba.
Controle espectral de lasers de fibra aleatória
Os lasers de fibra Raman aleatórios em cascata têm excelente flexibilidade de comprimento de onda. No entanto, durante o processo de conversão em cascata, a luz Stokes residual de baixa ordem fará com que a pureza espectral do laser diminua. Ao adotar um novo tipo de fonte de bombeamento estável no domínio do tempo (como bombeamento de emissão espontânea amplificada de banda larga incoerente, bombeamento de laser de fibra aleatória dopado com itérbio e bombeamento de laser de frequência única ampliado de largura de linha), os pesquisadores alcançaram uma variedade de lasers de fibra Raman aleatórios em cascata com alta pureza espectral. Por outro lado, sob alta potência de bombeamento, afetada por efeitos não lineares, como mistura de quatro ondas e modulação de fase cruzada na fibra, a largura de banda espectral de saída do laser de fibra aleatória de cavidade totalmente aberta é geralmente da ordem de vários nanômetros. Para atender às necessidades de fontes de luz de largura de linha estreita em cenários como duplicação de frequência de laser de alta eficiência, medição de alta precisão e comunicação de fibra coerente, lasers de fibra aleatória de banda estreita podem ser obtidos adicionando vários refletores de ponto com formato espectral ajustável e largura de banda à estrutura de laser de fibra aleatória de cavidade semiaberta, ou usando diferentes meios de ganho (como espalhamento Brillouin estimulado) e diferentes fibras passivas (como fibra de manutenção de polarização, fibra de alta dispersão) e otimizando o esquema de bombeamento. Além disso, a saída de vários comprimentos de onda de lasers de fibra aleatória pode ser obtida adicionando elementos de filtragem espectral ao laser ou usando ganho de espalhamento Brillouin estimulado em cascata.
Aplicação de lasers de fibra aleatórios com base no controle espectral
O design estrutural e a conversão flexível de comprimento de onda dos lasers de fibra aleatória os tornam mais adequados para realizar laser em bandas especiais para atender às necessidades de aplicações como amplificação de sinal distribuído, detecção de fibra de alta relação sinal-ruído, conversão de frequência não linear e bombeamento de infravermelho médio. Ao mesmo tempo, em comparação com lasers de fibra baseados em estruturas de cavidade ressonante, os lasers de fibra aleatória sem modelo espectral provaram ter melhor estabilidade no domínio do tempo. Portanto, os lasers de fibra aleatória têm maiores vantagens em cenários de aplicação com altos requisitos para estabilidade da fonte de laser. Além disso, a baixa coerência e controlabilidade espectral dos lasers de fibra aleatória permitem que eles mostrem potencial de aplicação exclusivo em imagens de alto desempenho e fusão de confinamento inercial acionada por laser.
