La tecnología de láser de fibra ultrarrápida genera pulsos láser ultracortos de nivel de femtosegundos o picosegundos-, lo que ofrece ventajas como una alta calidad del haz, una estabilidad excepcional y una estructura compacta. Encuentra amplias aplicaciones en procesamiento de precisión, investigación biomédica, espectroscopia y comunicaciones. Los láseres de fibra ultrarrápidos tradicionales emplean fibras dopadas con-tierras raras-como medio de ganancia, utilizando la estructura energética multi-de iones de tierras raras-para lograr una emisión estimulada. Sin embargo, debido al espaciado fijo de los niveles de energía y al ancho espectral limitado de las transiciones de iones de tierras raras-, la salida del láser se limita a rangos espectrales discretos, lo que limita significativamente el ámbito de aplicación de los láseres de fibra ultrarrápidos. Extender la longitud de onda de salida de los láseres de fibra ultrarrápidos más allá del rango cubierto por las transiciones iónicas no solo es una progresión natural en el desarrollo de tecnología ultrarrápida, sino que también aborda demandas prácticas en la investigación científica, las aplicaciones médicas, la defensa y otros campos.
Los láseres de fibra Raman ultrarrápidos representan un método eficaz para generar pulsos láser en longitudes de onda específicas. Las principales técnicas actuales para generar láseres Raman ultrarrápidos incluyen bloqueo de modo-, bombeo sincrónico y modulación de ganancia óptica no lineal (NOGM). El bloqueo de modo-generalmente emplea un bombeo de ondas-continuo, lo que requiere de decenas a cientos de metros de fibra para lograr una ganancia Raman suficiente, lo que da como resultado resonadores con dispersión y no linealidad significativas. El bombeo sincrónico utiliza bombeo pulsado, acortando efectivamente la longitud del resonador. Sin embargo, requiere sincronización entre el pulso de la bomba y el pulso Raman, lo que aumenta la complejidad del sistema. Ambas técnicas se basan en estructuras de resonador de fibra, lo que limita la energía del pulso Raman de salida al rango de nJ. Por el contrario, la tecnología NOGM emplea una configuración de amplificador de fibra Raman inyectada con una sola-semilla de frecuencia-para generar pulsos de láser Raman de alta-energía. Actualmente, los pulsos Raman producidos mediante esta técnica alcanzan el rango de cientos de nJ. La optimización de la arquitectura del sistema para generar pulsos Raman de mayor-energía es un objetivo clave de la investigación.
Amplificador híbrido Raman de tierras raras
Un equipo de investigación conjunto formado por el profesor Zhou Jiaqi del Departamento de Sistemas y Tecnología Láser Aeroespacial de SIOM, Academia de Ciencias de China, y el profesor Feng Yan del Instituto de Investigación Avanzada de Shanghai de la USTC, combinó la tecnología NOGM con amplificadores de fibra dopada con iterbio-. Aprovechando el mecanismo de amplificación híbrido de-iones de tierras raras y la dispersión Raman estimulada (SRS), se logra una salida de láser Raman ultra-rápida en la longitud de onda de 1121 nm con capacidad de microfocalización, donde el ancho del pulso se puede comprimir a 589 fs.
En un sistema NOGM típico, un láser continuo de una sola-frecuencia sirve como fuente de semillas, amplificada y moldeada dentro de una sola fibra; un láser ultrarrápido actúa como fuente de bombeo y proporciona una ganancia óptica no lineal a través de SRS. La amplificación se produce solo en la región de superposición temporal entre el láser continuo de frecuencia única-y el láser de bombeo, convirtiéndolo en última instancia en un pulso Raman sincronizado con el láser de bombeo. En los sistemas NOGM convencionales, la unidad de amplificación de energía de pulso de bomba y la unidad de conversión de frecuencia óptica no lineal están separadas: se requieren multiplexores de división de longitud de onda de alta-potencia para acoplar pulsos de bomba de alta-energía con semillas láser continuas de frecuencia única-; Además, el empalme por fusión de fibras activas y pasivas en condiciones de alta-potencia plantea riesgos para la estabilidad del sistema-a largo plazo. El equipo de investigación desarrolló un novedoso amplificador híbrido Raman de tierras raras-láser de fibra ultrarrápido. Al utilizar fibra dopada con iterbio-para proporcionar simultáneamente-ganancia de tierras raras y ganancia Raman, puede generar pulsos Raman con energías de un solo-pulso en el rango de microjulios. Como se muestra en la Figura 1, un diodo de conmutación de ganancia-genera un láser pulsado de 1065 nm con un ancho de pulso de 18,3 ps, ajustado a una tasa de repetición de 10 MHz, que sirve como fuente de bombeo del sistema. Un láser semiconductor continuo de frecuencia única-de 1121 nm de ancho de línea estrecho actúa como fuente semilla y se introduce simultáneamente en el amplificador de fibra dopada con iterbio-.
Figura 1 Esquema del sistema amplificador híbrido Raman de tierras raras-láser de fibra ultrarrápido
Como se muestra en la Figura 2(a)-(d), la energía de pulso único-del pulso Raman de 1121 nm se puede amplificar a ~1 μJ, con el ancho del pulso comprimido a 589 fs. La eficiencia máxima de conversión Raman alcanza el 69,9 % y la relación señal-a-ruido de frecuencia de repetición de pulso alcanza 81,1 dB. Sin inyección láser continua de una sola-frecuencia, las características del pulso Raman de 1121 nm se muestran en (e)-(h). En estas condiciones, el pulso Raman generado exhibe características cercanas a las-ruido-, con una intensidad de secuencia de pulso inestable y una tasa de repetición-señal-a-ruido reducida de 67,4 dB. Estos resultados experimentales confirman la viabilidad de NOGM de amplificación híbrida Raman de tierras raras-y la necesidad de una inyección de semillas de una sola-frecuencia.
Figura 2 Características del láser de pulso Raman con (a)-(d) inyección de láser continuo de una sola-frecuencia y (e)-(h) sin inyección de láser continuo de una sola-frecuencia
Simultáneamente, las simulaciones numéricas modelaron la evolución del pulso en condiciones de un ancho de pulso de bomba de 60 ps y un diámetro de núcleo de fibra Raman de 14,5 μm, como se muestra en la Figura 3. Los resultados indican que se pueden lograr salidas de pulso Raman en el rango de 10 μJ empleando pulsos de bomba más anchos y fibras Raman de mayor-núcleo-diámetro.
Figura 3 Resultados de la simulación para un ancho de pulso de bomba de 60 ps y un diámetro del núcleo de fibra de aproximadamente 14,5 μm
Este estudio demuestra un novedoso amplificador híbrido Raman de iterbio-láser de fibra ultrarrápido, que logra ~1 μJ de salida de láser Raman de 1121 nm con un ancho de pulso comprimible a 589 fs. Simulaciones numéricas adicionales revelan que la utilización de un láser de bomba con un ancho de pulso más amplio y una fibra con un diámetro de núcleo más grande podría lograr salidas de pulso Raman de femtosegundos en el rango de 10 μJ, lo que representa un enfoque clave para investigaciones posteriores. Este láser de fibra Raman de femtosegundo, capaz de generar pulsos de alta-energía en longitudes de onda específicas, ofrece soporte tecnológico de fuente de luz prometedora para aplicaciones como el procesamiento de materiales y la obtención de imágenes biomédicas.
