超高速ファイバー レーザー テクノロジーは、フェムト秒またはピコ秒レベルの超短レーザー パルスを生成し、高いビーム品質、卓越した安定性、コンパクトな構造などの利点をもたらします。{0}精密加工、生物医学研究、分光法、通信などに幅広く応用されています。従来の超高速ファイバー レーザーは、希土類-ドープ ファイバーを利得媒体として採用し、希土類イオンのマルチレベル エネルギー構造を利用して誘導放出を実現します。{6}ただし、エネルギー準位間隔が固定されており、希土類イオン遷移のスペクトル幅が限られているため、レーザー出力は離散スペクトル範囲に限定され、超高速ファイバーレーザーの適用範囲が大幅に制限されます。超高速ファイバーレーザーの出力波長をイオン遷移がカバーする範囲を超えて拡張することは、超高速技術開発における自然な進歩であるだけでなく、科学研究、医療応用、防衛、その他の分野にわたる実際的な需要にも対応します。
超高速ラマン ファイバー レーザーは、特定の波長でレーザー パルスを生成する効果的な方法です。超高速ラマン レーザーを生成するための現在の主流の技術には、モードロック、同期ポンピング、非線形光利得変調 (NOGM) などがあります。{1}モード ロックでは通常、連続波ポンピングが使用されます。十分なラマン ゲインを達成するには数十メートルから数百メートルのファイバーが必要であり、その結果、共振器に大きな分散と非線形性が生じます。同期ポンピングはパルスポンピングを利用し、共振器の長さを効果的に短縮します。ただし、ポンプ パルスとラマン パルス間の同期が必要となり、システムの複雑さが増加します。どちらの技術もファイバー共振器構造に依存しており、出力ラマンパルスエネルギーを nJ 範囲に制限します。対照的に、NOGM テクノロジーは、単一周波数シード-を注入したラマン ファイバー増幅器構成を採用して、高エネルギー ラマン レーザー パルスを生成します。-現在、この技術を使用して生成されるラマン パルスは数百 nJ の範囲に達しています。高エネルギーのラマン パルスを生成するためにシステム アーキテクチャを最適化することは、研究の重要な焦点です。-
希土類-ラマンハイブリッド増幅器
中国科学院 SIOM 航空宇宙レーザー技術システム部門の Zhou Jiaqi 教授と USTC 上海高等研究院の Feng Yan 教授で構成される共同研究チームは、NOGM 技術とイッテルビウム-ドープ ファイバー増幅器を組み合わせました。希土類イオンと誘導ラマン散乱（SRS）のハイブリッド増幅メカニズムを活用することで、微細焦点化機能を備えた波長 1121 nm での超高速ラマン レーザー出力を達成し、パルス幅を 589 fs まで圧縮できます。-
一般的な NOGM システムでは、単一周波数の連続レーザーがシード ソースとして機能し、単一のファイバー内で増幅および整形されます。{0}超高速レーザーがポンプ光源として機能し、SRS を介して非線形光学ゲインを提供します。増幅は単一周波数連続レーザーとポンプレーザーの間の時間的重複領域でのみ発生し、最終的にポンプレーザーと同期したラマンパルスに変換されます。従来の NOGM システムでは、ポンプ パルス エネルギー増幅ユニットと非線形光周波数変換ユニットが分離されています。高エネルギー ポンプ パルスを単一周波数連続レーザー シードと結合するには、高出力波長分割マルチプレクサが必要です。-さらに、高出力条件下でのアクティブ ファイバとパッシブ ファイバの融着接続は、長期的なシステムの安定性にリスクをもたらします。-研究チームは、新しい超高速ファイバー レーザー希土類ラマン ハイブリッド増幅器を開発しました。{10}イッテルビウム-ドープ ファイバーを利用して希土類ゲインとラマン ゲインを同時に提供することで、マイクロジュール範囲の単一パルス エネルギーでラマン パルスを生成できます。-図 1 に示すように、ゲイン スイッチング ダイオードは、パルス幅 18.3 ps、繰り返しレート 10 MHz の 1065 nm パルス レーザーを生成し、システムのポンプ ソースとして機能します。狭い-線幅1121 nmの半導体単一周波数連続レーザー-がシードソースとして機能し、同時にイッテルビウム-ドープファイバー増幅器に入力されます。
図 1 超高速ファイバー レーザー希土類ラマン ハイブリッド増幅システムの概略図
図2(a)-(d)に示すように、1121 nmラマンパルスの単一パルスエネルギー-は、パルス幅を589 fsに圧縮して〜1μJまで増幅できます。最大ラマン変換効率は 69.9% に達し、パルス繰り返し率の信号対雑音比は 81.1 dB に達します。-単一周波数-の連続レーザー注入がない場合の1121 nmラマンパルスの特性を(e)-(h)に示します。これらの条件下では、生成されたラマン パルスは-ノイズ-に近い特性を示し、パルス シーケンスの強度が不安定になり、繰り返し-}信号-対-の繰り返し率が 67.4 dB に低下します。これらの実験結果は、希土類ラマンハイブリッド増幅 NOGM の実現可能性と単一周波数シード注入の必要性を確認しています。-
図2 (a)-(d)単一周波数-連続レーザー注入あり、および(e)-(h)単一周波数-連続レーザー注入なしのラマンパルスレーザー特性
同時に、数値シミュレーションにより、図 3 に示すように、60 ps のポンプ パルス幅と 14.5 μm のラマン ファイバ コア直径の条件下でのパルスの展開がモデル化されました。結果は、より広いポンプ パルスとより大きなコア直径のラマン ファイバを使用することで 10 μJ 範囲のラマン パルス出力を達成できることを示しています。
図 3 ポンプ パルス幅 60 ps、ファイバ コア直径約 14.5 μm のシミュレーション結果
この研究では、589 fs まで圧縮可能なパルス幅で 1121 nm のラマン レーザー出力で約 1 μJ を達成する、新しい超高速ファイバー レーザー イッテルビウム-ラマン ハイブリッド増幅器を実証します。さらに数値シミュレーションを行ったところ、より広いパルス幅のポンプレーザーとより大きなコア直径のファイバーを利用すると、10μJ範囲のフェムト秒ラマンパルス出力を達成できる可能性があり、これが今後の研究の重要な焦点となることが明らかになった。このフェムト秒ラマン ファイバー レーザーは、特定の波長で高エネルギー パルスを生成することができ、材料加工や生物医学イメージングなどの用途に有望な光源技術サポートを提供します。-
