La technologie laser à fibre ultrarapide génère des impulsions laser ultracourtes de niveau femtoseconde ou picoseconde-, offrant des avantages tels qu'une qualité de faisceau élevée, une stabilité exceptionnelle et une structure compacte. Il trouve de nombreuses applications dans le traitement de précision, la recherche biomédicale, la spectroscopie et les communications. Les lasers à fibre ultrarapides traditionnels utilisent des fibres dopées aux terres rares--comme milieu de gain, en utilisant la structure énergétique à plusieurs-niveaux des ions de terres rares-pour obtenir une émission stimulée. Cependant, en raison de l'espacement fixe des niveaux d'énergie et de la largeur spectrale limitée des transitions des ions des terres rares, la sortie laser est confinée à des plages spectrales discrètes, limitant considérablement le champ d'application des lasers à fibre ultrarapides. L'extension de la longueur d'onde de sortie des lasers à fibre ultrarapides au-delà de la plage couverte par les transitions ioniques constitue non seulement une progression naturelle dans le développement de technologies ultrarapides, mais répond également aux exigences pratiques de la recherche scientifique, des applications médicales, de la défense et d'autres domaines.
Les lasers à fibre Raman ultrarapides représentent une méthode efficace pour générer des impulsions laser à des longueurs d'onde spécifiques. Les techniques courantes actuelles pour générer des lasers Raman ultrarapides incluent le verrouillage de mode-, le pompage synchrone et la modulation de gain optique non linéaire (NOGM). Le verrouillage de mode-utilise généralement un pompage d'ondes-continu, nécessitant des dizaines à des centaines de mètres de fibre pour obtenir un gain Raman suffisant, ce qui donne lieu à des résonateurs avec une dispersion et une non-linéarité importantes. Le pompage synchrone utilise un pompage pulsé, raccourcissant efficacement la longueur du résonateur. Cependant, cela nécessite une synchronisation entre l’impulsion de la pompe et l’impulsion Raman, ce qui augmente la complexité du système. Les deux techniques reposent sur des structures de résonateurs à fibres, limitant l'énergie de l'impulsion Raman de sortie à la plage nJ. En revanche, la technologie NOGM utilise une configuration d'amplificateur à fibre Raman à injection de graine de fréquence unique--pour générer des impulsions laser Raman à haute-énergie. Actuellement, les impulsions Raman produites à l’aide de cette technique atteignent la gamme des centaines de nJ. L'optimisation de l'architecture du système pour générer des impulsions Raman à plus haute énergie-est un objectif de recherche clé.
Amplificateur hybride Raman Terre Rare
Une équipe de recherche commune composée du professeur Zhou Jiaqi du département de technologie et systèmes laser aérospatiaux du SIOM, Académie chinoise des sciences, et du professeur Feng Yan de l'Institut de recherche avancée de Shanghai de l'USTC, a combiné la technologie NOGM avec des amplificateurs à fibre dopée à l'ytterbium-. En tirant parti du mécanisme d'amplification hybride des ions de terres rares- et de la diffusion Raman stimulée (SRS), nous obtenons une sortie laser Raman ultra rapide à la longueur d'onde de 1 121 nm avec une capacité de microfocalisation, où la largeur d'impulsion peut être compressée à 589 fs.
Dans un système NOGM typique, un laser continu à fréquence unique - sert de source de départ, amplifié et façonné dans une seule fibre ; un laser ultrarapide agit comme source de pompe, fournissant un gain optique non linéaire via SRS. L'amplification se produit uniquement dans la région de chevauchement temporel entre le laser continu à fréquence unique et le laser de pompe, la convertissant finalement en une impulsion Raman synchronisée avec le laser de pompe. Dans les systèmes NOGM conventionnels, l'unité d'amplification d'énergie d'impulsion de pompe et l'unité de conversion de fréquence optique non linéaire sont séparées : des multiplexeurs par répartition en longueur d'onde de haute -puissance sont nécessaires pour coupler des impulsions de pompe à haute énergie-avec des germes laser continus à une seule-fréquence ; de plus, l'épissage par fusion de fibres actives et passives dans des conditions de puissance élevée-présente des risques pour la stabilité du système à long-terme. L'équipe de recherche a développé un nouvel amplificateur hybride Raman à base de terres rares et de laser à fibre ultrarapide. En utilisant une fibre dopée à l'ytterbium-pour fournir simultanément un gain de terres rares-et un gain Raman, il peut générer des impulsions Raman avec des énergies d'impulsion uniques-dans la plage des microjoules. Comme le montre la figure 1, une diode de commutation de gain - génère un laser pulsé de 1 065 nm avec une largeur d'impulsion de 18,3 ps, réglé sur un taux de répétition de 10 MHz, servant de source de pompe du système. Un laser continu à semi-conducteur à fréquence unique -de largeur de raie étroite de 1 121 nm-agit comme source de départ, entrant simultanément dans l'amplificateur à fibre dopée à l'ytterbium-.
Figure 1 : Schéma du système d'amplificateur hybride Raman à laser à fibre ultrarapide-terres rares
Comme le montre la figure 2(a)-(d), l'énergie d'impulsion unique-de l'impulsion Raman de 1121 nm peut être amplifiée à ~ 1 μJ, avec la largeur d'impulsion compressée à 589 fs. L'efficacité maximale de la conversion Raman atteint 69,9 % et le rapport signal du taux de répétition des impulsions-sur-bruit atteint 81,1 dB. Sans injection laser continue à fréquence unique-, les caractéristiques de l'impulsion Raman de 1 121 nm sont présentées en (e)-(h). Dans ces conditions, l'impulsion Raman générée présente des caractéristiques proches du -bruit-, avec une intensité de séquence d'impulsions instable et un rapport de fréquence de répétition -signal-sur-bruit réduit de 67,4 dB. Ces résultats expérimentaux confirment la faisabilité de l'amplification hybride Raman de terres rares NOGM et la nécessité d'une injection de graines à fréquence unique.
Figure 2 Caractéristiques du laser à impulsion Raman avec (a)-(d) injection laser continue à fréquence unique-et (e)-(h) sans injection laser continue à fréquence unique-
Simultanément, des simulations numériques ont modélisé l'évolution des impulsions dans des conditions d'une largeur d'impulsion de pompe de 60 ps et d'un diamètre de cœur de fibre Raman de 14,5 μm, comme illustré dans la figure 3. Les résultats indiquent que des sorties d'impulsions Raman dans la plage de 10 μJ peuvent être obtenues en utilisant des impulsions de pompe plus larges et des fibres Raman de plus grand diamètre de -noyau-de diamètre.
Figure 3 Résultats de simulation pour une largeur d'impulsion de pompe de 60 ps et un diamètre de coeur de fibre d'environ 14,5 μm
Cette étude démontre un nouvel amplificateur hybride Raman à laser à fibre ultrarapide ytterbium -, atteignant environ 1 μJ de sortie laser Raman de 1 121 nm avec une largeur d'impulsion compressible à 589 fs. D'autres simulations numériques révèlent que l'utilisation d'un laser à pompe avec une largeur d'impulsion plus large et d'une fibre avec un diamètre de noyau plus grand pourrait potentiellement permettre d'obtenir des sorties d'impulsions Raman femtosecondes dans la plage de 10 μJ, ce qui représente un objectif clé pour les recherches ultérieures. Ce laser à fibre Raman femtoseconde, capable de générer des impulsions énergétiques élevées à des longueurs d'onde spécifiques, offre un support technologique de source lumineuse prometteur pour des applications telles que le traitement des matériaux et l'imagerie biomédicale.
