Gần đây, nhóm nghiên cứu gồm Giáo sư Zhao Yong từ Đại học Đông Bắc, Nghiên cứu viên cộng tác Wu Han từ Đại học Tứ Xuyên, Nghiên cứu viên cộng tác Ma Rui từ Đại học Thâm Quyến và Giáo sư Wang Zinan từ Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc đã hợp tác để phác thảo tiến trình tiên phong trong cơ chế, đặc điểm và ứng dụng của điều khiển quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên. Họ đã giới thiệu toàn diện tiến trình nghiên cứu của laser sợi ngẫu nhiên có độ tinh khiết quang phổ cao, đầu ra băng hẹp, điều chỉnh bước sóng linh hoạt và đầu ra đa bước sóng, tóm tắt ngắn gọn về ứng dụng của laser sợi ngẫu nhiên dựa trên điều khiển quang phổ và mong đợi triển vọng phát triển, con đường nghiên cứu và những thách thức mà laser sợi ngẫu nhiên dựa trên điều khiển quang phổ phải đối mặt.
Là một loại laser ngẫu nhiên mới, laser sợi ngẫu nhiên đã trở thành điểm nóng nghiên cứu được phát triển trong thập kỷ qua. So với laser sợi truyền thống có cấu trúc khoang cộng hưởng cố định, laser sợi ngẫu nhiên không yêu cầu cấu trúc khoang cộng hưởng chính xác và có khả năng tự do thiết kế cấu trúc cao hơn. Laser sợi ngẫu nhiên có ưu điểm về hiệu suất chuyển đổi, tính định hướng, chi phí, v.v. và có thể cung cấp nền tảng tốt để xây dựng nhiều dạng laser hiệu suất cao khác nhau. Đặc biệt, laser sợi ngẫu nhiên dựa trên các phương tiện khuếch đại khác nhau có tính linh hoạt bước sóng tuyệt vời và có thể đạt được laser laser bước sóng tùy ý trong băng tần 1 ~ 2,1 µm. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chuyên sâu về các đặc điểm quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên. Thông qua điều chỉnh quang phổ, laser sợi ngẫu nhiên chứng minh khả năng có độ tinh khiết quang phổ cao, băng thông hẹp và đầu ra đa bước sóng. Ngoài ra, laser sợi quang ngẫu nhiên, với các đặc điểm quang phổ độc đáo của chúng, có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong truyền thông sợi quang, cảm biến sợi quang, hình ảnh không có đốm, tạo siêu liên tục, chuyển đổi tần số phi tuyến tính, nguồn bơm laser hồng ngoại giữa và hợp nhất giới hạn quán tính điều khiển bằng laser (Hình 1).
Nghiên cứu cơ bản về đặc điểm quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên
Để mô tả và phân tích về mặt lý thuyết các đặc điểm quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên và khám phá các định luật vật lý của chúng, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một mô hình cân bằng trạng thái ổn định công suất phụ thuộc vào quang phổ, một mô hình Schrödinger phi tuyến tính và một mô hình động lực học sóng để đánh giá chính xác công suất đầu ra và quá trình thay đổi quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá thực nghiệm các đặc điểm thống kê quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên, đưa tính đối xứng bản sao vào laser sợi ngẫu nhiên và sử dụng các phương pháp phân tích thống kê dựa trên lý thuyết kính spin để khám phá sự hỗn loạn và tương tác phi tuyến tính trong laser sợi ngẫu nhiên.
Laser sợi ngẫu nhiên có tính linh hoạt bước sóng tuyệt vời
Được hưởng lợi từ các cơ chế khuếch đại khác nhau, bao gồm khuếch đại hiệu ứng phi tuyến tính bậc ba (như tán xạ Raman kích thích và tán xạ Brillouin kích thích) và khuếch đại hoạt động pha tạp ion đất hiếm (như sợi hoạt động pha tạp ytterbi, erbi, erbi/ytterbi, bismuth và thuli), laser sợi ngẫu nhiên có thể hoạt động trong băng tần 1-2.1µm. Trong laser sợi ngẫu nhiên sử dụng bơm cố định, kết hợp các bộ lọc có thể điều chỉnh hoặc gương điểm phụ thuộc vào bước sóng và thay đổi bước sóng trung tâm của các bộ lọc hoặc gương điểm có thể đạt được điều chỉnh bước sóng phẳng và hiệu quả trên một phạm vi rộng. Ngoài ra, bằng cách giới thiệu gương điểm có thể lập trình theo bước sóng, quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên có thể được lập trình và liên tục điều chỉnh theo hình dạng quang phổ được thiết kế. Đặc biệt, đối với laser sợi Raman ngẫu nhiên xếp tầng dựa trên gương điểm băng thông rộng và phản hồi tán xạ ngược, bước sóng laser có thể được điều chỉnh liên tục trên một phạm vi lớn bằng cách trực tiếp thay đổi bước sóng bơm và công suất bơm.
Kiểm soát quang phổ của laser sợi ngẫu nhiên
Laser sợi Raman ngẫu nhiên xếp tầng có độ linh hoạt bước sóng tuyệt vời. Tuy nhiên, trong quá trình chuyển đổi xếp tầng, ánh sáng Stokes bậc thấp còn lại sẽ làm giảm độ tinh khiết quang phổ của laser. Bằng cách áp dụng một loại nguồn bơm ổn định miền thời gian mới (chẳng hạn như bơm phát xạ tự phát khuếch đại băng thông rộng không liên tục, bơm laser sợi ngẫu nhiên pha tạp ytterbium và bơm laser tần số đơn mở rộng độ rộng đường truyền), các nhà nghiên cứu đã đạt được nhiều loại laser sợi Raman ngẫu nhiên xếp tầng có độ tinh khiết quang phổ cao. Mặt khác, dưới công suất bơm cao, bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng phi tuyến tính như trộn bốn sóng và điều chế pha chéo trong sợi, băng thông quang phổ đầu ra của laser sợi ngẫu nhiên khoang mở hoàn toàn thường vào khoảng vài nanomet. Để đáp ứng nhu cầu về nguồn sáng có độ rộng vạch hẹp trong các tình huống như nhân đôi tần số laser hiệu suất cao, đo lường độ chính xác cao và truyền thông sợi quang mạch lạc, laser sợi quang ngẫu nhiên băng hẹp có thể đạt được bằng cách thêm nhiều bộ phản xạ điểm có hình dạng phổ và băng thông có thể điều chỉnh vào cấu trúc laser sợi quang ngẫu nhiên khoang bán mở hoặc bằng cách sử dụng các phương tiện khuếch đại khác nhau (như tán xạ Brillouin kích thích) và các sợi quang thụ động khác nhau (như sợi quang duy trì phân cực, sợi quang tán xạ cao) và tối ưu hóa sơ đồ bơm. Ngoài ra, có thể đạt được đầu ra đa bước sóng của laser sợi quang ngẫu nhiên bằng cách thêm các phần tử lọc phổ vào laser hoặc sử dụng độ khuếch đại tán xạ Brillouin kích thích nối tầng.
Ứng dụng laser sợi ngẫu nhiên dựa trên điều khiển quang phổ
Thiết kế cấu trúc và chuyển đổi bước sóng linh hoạt của laser sợi ngẫu nhiên làm cho chúng phù hợp hơn để thực hiện laser trong các băng tần đặc biệt để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng như khuếch đại tín hiệu phân tán, cảm biến sợi có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao, chuyển đổi tần số phi tuyến tính và bơm hồng ngoại trung bình. Đồng thời, so với laser sợi dựa trên cấu trúc khoang cộng hưởng, laser sợi ngẫu nhiên không có mô hình phổ đã được chứng minh là có độ ổn định miền thời gian tốt hơn. Do đó, laser sợi ngẫu nhiên có nhiều lợi thế hơn trong các tình huống ứng dụng có yêu cầu cao về độ ổn định của nguồn laser. Ngoài ra, độ kết hợp thấp và khả năng điều khiển phổ của laser sợi ngẫu nhiên cho phép chúng thể hiện tiềm năng ứng dụng độc đáo trong hình ảnh hiệu suất cao và hợp nhất giới hạn quán tính do laser điều khiển.
