Recientemente, el equipo del profesor Zhao Yong de la Universidad del Noreste, el investigador asociado Wu Han de la Universidad de Sichuan, el investigador asociado Ma Rui de la Universidad de Shenzhen y el profesor Wang Zinan de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China han colaborado para describir el progreso de vanguardia en el mecanismo, las características y las aplicaciones del control espectral de los láseres de fibra aleatorios. Presentaron de manera integral el progreso de la investigación de los láseres de fibra aleatorios con alta pureza espectral, salida de banda estrecha, sintonización de longitud de onda flexible y salida de múltiples longitudes de onda, resumieron brevemente la aplicación de los láseres de fibra aleatorios basados en el control espectral y miraron hacia las perspectivas de desarrollo, los caminos de investigación y los desafíos que enfrentan los láseres de fibra aleatorios basados en el control espectral.
Como un nuevo tipo de láser aleatorio, el láser de fibra aleatorio ha sido un foco de investigación desarrollado en la última década. En comparación con los láseres de fibra tradicionales con estructuras de cavidad resonante fija, los láseres de fibra aleatorios no requieren estructuras de cavidad resonante precisas y tienen una mayor libertad de diseño estructural. Los láseres de fibra aleatorios tienen ventajas en eficiencia de conversión, direccionalidad, costo, etc., y pueden proporcionar una buena plataforma para la construcción de varias formas de láseres de alto rendimiento. En particular, los láseres de fibra aleatorios basados en diferentes medios de ganancia tienen una excelente flexibilidad de longitud de onda y pueden lograr un láser de longitud de onda arbitraria en la banda de 1 ~ 2,1 µm. En los últimos años, los investigadores han realizado una investigación teórica y experimental en profundidad sobre las características espectrales de los láseres de fibra aleatorios. A través de la regulación espectral, los láseres de fibra aleatorios demuestran la capacidad de alta pureza espectral, ancho de banda estrecho y salida de múltiples longitudes de onda. Además, los láseres de fibra aleatorios, con sus características espectrales únicas, tienen amplias perspectivas de aplicación en comunicaciones por fibra óptica, detección por fibra óptica, imágenes sin motas, generación de supercontinuo, conversión de frecuencia no lineal, fuentes de bombeo láser de infrarrojo medio y fusión por confinamiento inercial impulsada por láser (Figura 1).
Investigación básica sobre las características espectrales de los láseres de fibra aleatorios
Para describir y analizar teóricamente las características espectrales de los láseres de fibra aleatorios y explorar sus leyes físicas, los investigadores han propuesto un modelo de equilibrio de estado estable de potencia dependiente del espectro, un modelo de Schrödinger no lineal y un modelo de dinámica de ondas para evaluar con precisión la potencia de salida y el proceso de cambio espectral de los láseres de fibra aleatorios. En los últimos años, los investigadores han explorado experimentalmente las características estadísticas espectrales de los láseres de fibra aleatorios, han introducido la ruptura de la simetría de réplica en los láseres de fibra aleatorios y han utilizado métodos de análisis estadístico basados en la teoría del vidrio de espín para explorar el desorden y las interacciones no lineales en los láseres de fibra aleatorios.
Láseres de fibra aleatorios con excelente flexibilidad de longitud de onda
Los láseres de fibra aleatorios pueden funcionar en la banda de 7,1 µm gracias a diferentes mecanismos de ganancia, como la ganancia de efecto no lineal de tercer orden (como la dispersión Raman estimulada y la dispersión Brillouin estimulada) y la ganancia activa de dopaje de iones de tierras raras (como las fibras activas dopadas con iterbio, erbio, erbio/iterbio, bismuto y tulio). En los láseres de fibra aleatorios que utilizan bombas fijas, la combinación de filtros ajustables o espejos puntuales dependientes de la longitud de onda y el cambio de la longitud de onda central de los filtros o espejos puntuales pueden lograr un ajuste de longitud de onda plano y eficiente en un amplio rango. Además, al introducir espejos puntuales programables por longitud de onda, el espectro de los láseres de fibra aleatorios se puede programar y ajustar de forma continua de acuerdo con la forma espectral diseñada. En particular, para los láseres de fibra Raman aleatorios en cascada basados en espejos puntuales de banda ancha y retroalimentación de retrodispersión, la longitud de onda del láser se puede ajustar continuamente en un amplio rango cambiando directamente la longitud de onda y la potencia de bombeo.
Control espectral de láseres de fibra aleatorios
Los láseres de fibra Raman aleatorios en cascada tienen una excelente flexibilidad de longitud de onda. Sin embargo, durante el proceso de conversión en cascada, la luz de Stokes residual de bajo orden hará que la pureza espectral del láser disminuya. Al adoptar un nuevo tipo de fuente de bombeo estable en el dominio del tiempo (como el bombeo de emisión espontánea amplificada de banda ancha incoherente, el bombeo de láser de fibra aleatoria dopado con iterbio y el bombeo de láser de frecuencia única con ancho de línea ampliado), los investigadores han logrado una variedad de láseres de fibra Raman aleatorios en cascada con alta pureza espectral. Por otro lado, bajo una alta potencia de bombeo, afectada por efectos no lineales como la mezcla de cuatro ondas y la modulación de fase cruzada en la fibra, el ancho de banda espectral de salida del láser de fibra aleatoria de cavidad completamente abierta es generalmente del orden de varios nanómetros. Para satisfacer las necesidades de fuentes de luz de ancho de línea estrecho en escenarios como duplicación de frecuencia láser de alta eficiencia, medición de alta precisión y comunicación de fibra coherente, se pueden lograr láseres de fibra aleatorios de banda estrecha agregando varios reflectores puntuales con forma espectral y ancho de banda ajustables a la estructura de láser de fibra aleatorio de cavidad semiabierta, o usando diferentes medios de ganancia (como dispersión Brillouin estimulada) y diferentes fibras pasivas (como fibra de mantenimiento de polarización, fibra de alta dispersión), y optimizando el esquema de bombeo. Además, se puede lograr una salida de longitud de onda múltiple de láseres de fibra aleatorios agregando elementos de filtrado espectral al láser o usando ganancia de dispersión Brillouin estimulada en cascada.
Aplicación de láseres de fibra aleatorios basados en control espectral
El diseño estructural y la conversión flexible de longitud de onda de los láseres de fibra aleatorios los hacen más adecuados para realizar láseres en bandas especiales para satisfacer las necesidades de aplicaciones como la amplificación de señales distribuidas, la detección de fibra con alta relación señal-ruido, la conversión de frecuencia no lineal y el bombeo de infrarrojo medio. Al mismo tiempo, en comparación con los láseres de fibra basados en estructuras de cavidad resonante, se ha demostrado que los láseres de fibra aleatorios sin modo espectral tienen una mejor estabilidad en el dominio del tiempo. Por lo tanto, los láseres de fibra aleatorios tienen mayores ventajas en escenarios de aplicación con altos requisitos de estabilidad de la fuente láser. Además, la baja coherencia y la capacidad de control espectral de los láseres de fibra aleatorios les permiten mostrar un potencial de aplicación único en la formación de imágenes de alto rendimiento y la fusión por confinamiento inercial impulsada por láser.
