לאחרונה, הצוות של פרופסור ג'או יונג מאוניברסיטת Northeastern, חוקר עמית וו האן מאוניברסיטת סצ'ואן, חוקר עמית מא רוי מאוניברסיטת שנזן ופרופסור וואנג זינאן מאוניברסיטת מדע וטכנולוגיה אלקטרונית של סין שיתפו פעולה כדי לשרטט את התקדמות הגבול בתחום המנגנון, המאפיינים והיישומים של בקרה ספקטרלית של לייזרים סיבים אקראיים. הם הציגו באופן מקיף את ההתקדמות המחקרית של לייזרים סיבים אקראיים עם טוהר ספקטרלי גבוה, פלט צר פס, כוונון אורכי גל גמיש ופלט מרובה אורכי גל, סיכמו בקצרה את היישום של לייזרים סיבים אקראיים המבוססים על בקרה ספקטרלית, וציפו לסיכויי הפיתוח, המחקר נתיבים, ואתגרים איתם מתמודדים לייזרים סיבים אקראיים המבוססים על בקרה ספקטרלית.
כסוג חדש של לייזר אקראי, לייזר סיבים אקראי היה נקודה חמה מחקרית שפותחה בעשור האחרון. בהשוואה ללייזרי סיבים מסורתיים עם מבני חלל תהודה קבועים, לייזרים סיבים אקראיים אינם דורשים מבני חלל תהודה מדויקים ויש להם חופש עיצוב מבני גבוה יותר. ללייזרים סיבים אקראיים יש יתרונות ביעילות המרה, כיווניות, עלות וכו', והם יכולים לספק פלטפורמה טובה לבניית צורות שונות של לייזרים בעלי ביצועים גבוהים. בפרט, לייזרים סיבים אקראיים המבוססים על אמצעי רווח שונים הם בעלי גמישות מצוינת באורך גל ויכולים להשיג לייזר באורך גל שרירותי ברצועת 1~2.1 מיקרומטר. בשנים האחרונות ערכו חוקרים מחקר תיאורטי וניסיוני מעמיק על המאפיינים הספקטרליים של לייזרים סיבים אקראיים. באמצעות ויסות ספקטרלי, לייזרים סיבים אקראיים מדגימים יכולת של טוהר ספקטרלי גבוה, רוחב פס צר ופלט מרובה אורכי גל. בנוסף, ללייזרי סיבים אקראיים, עם המאפיינים הספקטרליים הייחודיים שלהם, סיכויי יישום רחבים בתקשורת סיבים אופטיים, חישה סיבים אופטיים, הדמיה ללא כתמים, יצירת סופר-רצף, המרת תדר לא ליניארי, מקורות משאבת לייזר אינפרא אדום בינוני ולייזר- היתוך כליאה אינרציאלית מונע (איור 1).
מחקר בסיסי על המאפיינים הספקטרליים של לייזרים סיבים אקראיים
על מנת לתאר ולנתח באופן תיאורטי את המאפיינים הספקטרליים של לייזרים סיבים אקראיים ולחקור את החוקים הפיזיקליים שלהם, חוקרים הציעו מודל שיווי משקל במצב יציב הספק תלוי ספקטרום, מודל שרדינגר לא ליניארי ומודל דינמיקה של גלים כדי להעריך במדויק את הספק הפלט ותהליך שינוי ספקטרלי של לייזרים סיבים אקראיים. בשנים האחרונות, חוקרים בחנו בניסוי את המאפיינים הסטטיסטיים הספקטרליים של לייזרים סיבים אקראיים, הציגו סימטריה העתקית הפורצת ללייזרי סיבים אקראיים, והשתמשו בשיטות ניתוח סטטיסטי המבוססות על תיאוריית זכוכית ספין כדי לחקור את ההפרעה והאינטראקציות הלא ליניאריות בלייזרי סיבים אקראיים.
לייזרים סיבים אקראיים עם גמישות אורך גל מעולה
נהנה ממנגנוני רווח שונים, כולל רווח אפקט לא ליניארי מסדר שלישי (כגון פיזור ראמאן מגורה ופיזור ברילואין מגורה) ורווח אקטיבי של סימום יונים נדירים (כגון איטרביום, ארביום, ארביום/איטרביום, ביסמוט, ו סיבים פעילים מסוממים ב-thulium), לייזרים סיבים אקראיים יכולים לפעול בפס 1-2.1µm. בלייזרי סיבים אקראיים המשתמשים במשאבות קבועות, שילוב של מסננים ניתנים לכוונון או מראות נקודתיות תלויות אורך גל ושינוי אורך הגל המרכזי של המסננים או המראות הנקודתיות יכולים להשיג כוונון אורך גל שטוח ויעיל על פני טווח רחב. בנוסף, על ידי החדרת מראות נקודות הניתנות לתכנות באורך גל, ניתן לתכנת את הספקטרום של לייזרים סיבים אקראיים ולכוונן באופן רציף בהתאם לצורה הספקטרלית המתוכננת. בפרט, עבור לייזרים אקראיים של סיבי ראמאן המבוססים על מראות נקודתיות בפס רחב ומשוב פיזור לאחור, ניתן לכוונן את אורך גל הלייזר ברציפות על פני טווח גדול על ידי שינוי ישיר של אורך גל המשאבה והספק המשאבה.
בקרה ספקטרלית של לייזרים סיבים אקראיים
ללייזרי סיבי ראמאן אקראיים מדורגים יש גמישות מעולה באורך גל. עם זאת, במהלך תהליך המרת המפל, אור הסטוקס שיורי מסדר נמוך יגרום לירידה בטוהר הספקטרלי של הלייזר. על ידי אימוץ סוג חדש של מקור משאבה יציב בתחום הזמן (כגון שאיבת פליטה ספונטנית מוגברת בפס רחב בלתי קוהרנטי, שאיבת לייזר סיבים אקראי מסוממים באיטרביום, ושאיבת לייזר בתדר יחיד מורחבת בקו רוחב קו), החוקרים השיגו מגוון של סיבי ראמאן אקראיים מדורגים לייזרים עם טוהר ספקטרלי גבוה. מצד שני, תחת כוח משאבה גבוה, המושפע מהשפעות לא ליניאריות כגון ערבוב ארבעה גלים ואפנון צולב פאזות בסיב, רוחב הפס הספקטרלי של הפלט של לייזר סיב אקראי בעל חלל פתוח הוא בדרך כלל בסדר גודל של מספר ננומטרים . על מנת לענות על הצרכים של מקורות אור ברוחב קו צר בתרחישים כגון הכפלת תדר לייזר ביעילות גבוהה, מדידה דיוק גבוהה ותקשורת סיבים קוהרנטית, ניתן להשיג לייזרים סיבים אקראיים בפס צר על ידי הוספת מחזירי נקודה שונים עם ספקטרלי מתכוונן. צורה ורוחב פס למבנה הלייזר אקראי עם חלל פתוח למחצה, או על ידי שימוש במדיות רווח שונות (כגון פיזור ברילואין מגורה) וסיבים פסיביים שונים (כגון סיבים לשמירה על קיטוב, סיבים בפיזור גבוה), וייעול השאיבה תָכְנִית. בנוסף, ניתן להשיג פלט רב אורכי גל של לייזרים סיבים אקראיים על ידי הוספת אלמנטי סינון ספקטרליים ללייזר או באמצעות רווח פיזור ברילואין מגורה מדורג.
יישום של לייזרים סיבים אקראיים המבוססים על בקרה ספקטרלית
העיצוב המבני והמרת אורך הגל הגמישה של לייזרים סיבים אקראיים הופכים אותם למתאימים יותר למימוש לייזר לייזר ברצועות מיוחדות כדי לענות על הצרכים של יישומים כגון הגברת אות מבוזר, חישת סיבים ביחס אות לרעש גבוה, המרת תדר לא ליניארי שאיבת אינפרא אדום. יחד עם זאת, בהשוואה ללייזרי סיבים המבוססים על מבני חלל תהודה, לייזרים סיבים אקראיים חסרי מודל ספקטרלי הוכחו כבעלי יציבות טובה יותר בתחום הזמן. לכן, ללייזרי סיבים אקראיים יש יתרונות גדולים יותר בתרחישי יישום עם דרישות גבוהות ליציבות מקור הלייזר. בנוסף, הקוהרנטיות הנמוכה והשליטה הספקטרלית של לייזרים סיבים אקראיים מאפשרים להם להראות פוטנציאל יישומי ייחודי בהדמיה בעלת ביצועים גבוהים ומיזוג אינרציאלי מונע על ידי לייזר.
