في الآونة الأخيرة، تعاون فريق البروفيسور تشاو يونج من جامعة نورث إيسترن، والباحث المشارك وو هان من جامعة سيتشوان، والباحث المشارك ما روي من جامعة شنتشن، والبروفيسور وانج زينان من جامعة العلوم والتكنولوجيا الإلكترونية في الصين، لتحديد التقدم الرائد في آلية وخصائص وتطبيقات التحكم الطيفي لليزر الألياف العشوائي. لقد قدموا بشكل شامل التقدم البحثي لليزر الألياف العشوائية ذات النقاء الطيفي العالي، والإخراج الضيق النطاق، وضبط الطول الموجي المرن، والإخراج متعدد الأطوال الموجية، ولخصوا بإيجاز تطبيق الليزر الألياف العشوائية القائم على التحكم الطيفي، وتطلعوا إلى آفاق التطوير ومسارات البحث والتحديات التي تواجه الليزر الألياف العشوائية القائم على التحكم الطيفي.
كنوع جديد من الليزر العشوائي، كان ليزر الألياف العشوائي نقطة بحث ساخنة تم تطويرها في العقد الماضي. بالمقارنة مع ليزرات الألياف التقليدية ذات هياكل تجويف الرنين الثابتة، لا تتطلب ليزرات الألياف العشوائية هياكل تجويف رنين دقيقة ولديها حرية تصميم هيكلية أعلى. تتمتع ليزرات الألياف العشوائية بمزايا في كفاءة التحويل والاتجاهية والتكلفة وما إلى ذلك، ويمكن أن توفر منصة جيدة لبناء أشكال مختلفة من الليزر عالي الأداء. على وجه الخصوص، تتمتع ليزرات الألياف العشوائية القائمة على وسائط مكسب مختلفة بمرونة طول موجي ممتازة ويمكنها تحقيق ليزر طول موجي تعسفي في نطاق 1 ~ 2.1 ميكرومتر. في السنوات الأخيرة، أجرى الباحثون أبحاثًا نظرية وتجريبية متعمقة حول الخصائص الطيفية لليزرات الألياف العشوائية. من خلال التنظيم الطيفي، تثبت ليزرات الألياف العشوائية قدرة النقاء الطيفي العالي والنطاق الترددي الضيق والإخراج متعدد الأطوال الموجية. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع ألياف الليزر العشوائية، بخصائصها الطيفية الفريدة، بآفاق تطبيق واسعة في اتصالات الألياف الضوئية، واستشعار الألياف الضوئية، والتصوير الخالي من البقع، وتوليد الاستمرارية الفائقة، وتحويل التردد غير الخطي، ومصادر مضخة الليزر في منتصف الأشعة تحت الحمراء، والاندماج بالقصور الذاتي المدفوع بالليزر (الشكل 1).
بحث أساسي حول الخصائص الطيفية لليزر الألياف العشوائية
من أجل وصف وتحليل الخصائص الطيفية لليزرات الألياف العشوائية نظريًا واستكشاف قوانينها الفيزيائية، اقترح الباحثون نموذج توازن الحالة المستقرة للطاقة المعتمد على الطيف، ونموذج شرودنجر غير الخطي، ونموذج ديناميكيات الموجة لتقييم قوة الخرج وعملية التغيير الطيفي لليزرات الألياف العشوائية بدقة. في السنوات الأخيرة، استكشف الباحثون تجريبياً الخصائص الإحصائية الطيفية لليزرات الألياف العشوائية، وقدموا تقسيم التناظر المتماثل لليزرات الألياف العشوائية، واستخدموا أساليب التحليل الإحصائي القائمة على نظرية الزجاج المغزلي لاستكشاف الاضطراب والتفاعلات غير الخطية في الليزرات الألياف العشوائية.
ليزر الألياف العشوائية مع مرونة ممتازة في الطول الموجي
بالاستفادة من آليات الكسب المختلفة، بما في ذلك كسب التأثير غير الخطي من الدرجة الثالثة (مثل تشتت رامان المحفز وتشتت بريلوين المحفز) والكسب النشط المضاف إليه أيونات الأرض النادرة (مثل الألياف النشطة المضاف إليها الإيتربيوم والإربيوم والإربيوم/الإيتربيوم والبزموت والثوليوم)، يمكن أن تعمل ليزرات الألياف العشوائية في نطاق 1-2.1 ميكرومتر. في ليزرات الألياف العشوائية التي تستخدم مضخات ثابتة، يمكن تحقيق ضبط طول موجي مسطح وفعال على نطاق واسع من خلال الجمع بين المرشحات القابلة للضبط أو المرايا النقطية المعتمدة على الطول الموجي وتغيير الطول الموجي المركزي للمرشحات أو المرايا النقطية. بالإضافة إلى ذلك، من خلال إدخال المرايا النقطية القابلة للبرمجة حسب الطول الموجي، يمكن برمجة طيف ليزرات الألياف العشوائية وضبطه باستمرار وفقًا للشكل الطيفي المصمم. على وجه الخصوص، بالنسبة لأشعة الليزر الليفية رامان العشوائية المتتالية القائمة على المرايا النقطية ذات النطاق العريض والتغذية الراجعة المرتدة، يمكن ضبط طول موجة الليزر بشكل مستمر على نطاق واسع عن طريق تغيير طول موجة المضخة وقوة المضخة بشكل مباشر.
التحكم الطيفي لليزر الألياف العشوائي
تتمتع ليزرات الألياف العشوائية المتتالية رامان بمرونة ممتازة في الطول الموجي. ومع ذلك، أثناء عملية التحويل المتتالي، فإن ضوء ستوكس المتبقي منخفض الترتيب سوف يتسبب في انخفاض نقاء الطيف لليزر. من خلال اعتماد نوع جديد من مصدر المضخة المستقر في المجال الزمني (مثل ضخ الانبعاث التلقائي المضخم عريض النطاق غير المتماسك، وضخ ليزر الألياف العشوائي المشبع بالإيتربيوم، وضخ ليزر التردد الواحد الموسع بعرض الخط)، حقق الباحثون مجموعة متنوعة من ليزرات الألياف العشوائية رامان المتتالية ذات نقاء طيفي عالي. من ناحية أخرى، تحت قوة المضخة العالية، المتأثرة بالتأثيرات غير الخطية مثل الاختلاط بأربع موجات والتعديل عبر الطور في الألياف، يكون النطاق الطيفي الناتج عن ليزر الألياف العشوائي ذي التجويف المفتوح بالكامل في حدود عدة نانومتر. من أجل تلبية احتياجات مصادر الضوء ذات عرض الخط الضيق في سيناريوهات مثل مضاعفة تردد الليزر عالي الكفاءة والقياس عالي الدقة والاتصالات المتماسكة بالألياف، يمكن تحقيق ليزر الألياف العشوائية ضيق النطاق عن طريق إضافة عاكسات نقطية مختلفة ذات شكل طيفي قابل للتعديل وعرض نطاق إلى بنية ليزر الألياف العشوائية شبه المفتوحة التجويف، أو باستخدام وسائط مكسب مختلفة (مثل التشتت المحفز لبريلون) وألياف سلبية مختلفة (مثل الألياف التي تحافظ على الاستقطاب والألياف عالية التشتت)، وتحسين مخطط الضخ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق إخراج متعدد الأطوال الموجية لليزر الألياف العشوائية عن طريق إضافة عناصر ترشيح طيفية إلى الليزر أو استخدام مكسب التشتت المحفز لبريلون.
تطبيق ليزر الألياف العشوائية المبني على التحكم الطيفي
إن التصميم البنيوي والتحويل المرن للطول الموجي لليزرات الليفية العشوائية يجعلها أكثر ملاءمة لتحقيق الليزر بالليزر في نطاقات خاصة لتلبية احتياجات التطبيقات مثل تضخيم الإشارة الموزعة واستشعار الألياف بنسبة إشارة إلى ضوضاء عالية وتحويل التردد غير الخطي وضخ الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. في الوقت نفسه، وبالمقارنة مع الليزرات الليفية القائمة على هياكل تجويف الرنين، فقد ثبت أن الليزرات الليفية العشوائية عديمة النماذج الطيفية تتمتع باستقرار أفضل في المجال الزمني. لذلك، تتمتع الليزرات الليفية العشوائية بمزايا أكبر في سيناريوهات التطبيق ذات المتطلبات العالية لاستقرار مصدر الليزر. بالإضافة إلى ذلك، فإن التماسك المنخفض والقدرة على التحكم الطيفي لليزرات الليفية العشوائية تمكنها من إظهار إمكانات تطبيق فريدة في التصوير عالي الأداء واندماج الاحتجاز بالقصور الذاتي المدفوع بالليزر.
