최근, 동북대학의 Zhao Yong 교수, 쓰촨대학의 Wu Han 부연구원, 심천대학의 Ma Rui 부연구원, 중국 전자과학기술대학의 Wang Zinan 교수 팀이 협력하여 랜덤 파이버 레이저의 스펙트럼 제어 메커니즘, 특성 및 응용 분야의 최전선 진행 상황을 개략적으로 설명했습니다. 그들은 높은 스펙트럼 순도, 협대역 출력, 유연한 파장 조정 및 다중 파장 출력을 가진 랜덤 파이버 레이저의 연구 진행 상황을 종합적으로 소개하고 스펙트럼 제어 기반 랜덤 파이버 레이저의 응용 프로그램을 간략히 요약했으며 스펙트럼 제어 기반 랜덤 파이버 레이저의 개발 전망, 연구 경로 및 직면한 과제를 기대했습니다.
새로운 유형의 랜덤 레이저인 랜덤 파이버 레이저는 지난 10년 동안 개발된 연구 핫스팟이었습니다. 고정 공진 공동 구조를 가진 기존 파이버 레이저와 비교할 때 랜덤 파이버 레이저는 정밀한 공진 공동 구조가 필요하지 않고 구조적 설계 자유도가 더 높습니다. 랜덤 파이버 레이저는 변환 효율, 방향성, 비용 등에서 장점이 있으며 다양한 형태의 고성능 레이저를 구축하기 위한 좋은 플랫폼을 제공할 수 있습니다. 특히, 다양한 이득 매체를 기반으로 하는 랜덤 파이버 레이저는 파장 유연성이 뛰어나고 1~2.1µm 대역에서 임의 파장 레이저 레이저를 달성할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 랜덤 파이버 레이저의 스펙트럼 특성에 대한 심층적인 이론적 및 실험적 연구를 수행했습니다. 스펙트럼 조절을 통해 랜덤 파이버 레이저는 높은 스펙트럼 순도, 좁은 대역폭 및 다중 파장 출력의 능력을 보여줍니다. 또한, 고유한 스펙트럼 특성을 가진 랜덤 파이버 레이저는 광섬유 통신, 광섬유 센싱, 얼룩 없는 이미징, 초연속 생성, 비선형 주파수 변환, 중적외선 레이저 펌프 소스, 레이저 구동 관성 구속 융합 등에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다(그림 1).
랜덤 파이버 레이저의 분광 특성에 관한 기초 연구
무작위 파이버 레이저의 분광 특성을 이론적으로 기술하고 분석하고 물리적 법칙을 탐구하기 위해 연구자들은 스펙트럼 의존적 전력 정상 상태 평형 모델, 비선형 슈뢰딩거 모델, 파동 역학 모델을 제안하여 무작위 파이버 레이저의 출력 전력과 분광 변화 과정을 정확하게 평가했습니다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 무작위 파이버 레이저의 분광 통계적 특성을 실험적으로 탐구하고, 무작위 파이버 레이저에 복제 대칭성 파괴를 도입하고, 스핀 유리 이론에 기반한 통계적 분석 방법을 사용하여 무작위 파이버 레이저의 무질서와 비선형 상호 작용을 탐구했습니다.
우수한 파장 유연성을 갖춘 랜덤 파이버 레이저
3차 비선형 효과 이득(자극 라만 산란 및 자극 브릴루앙 산란 등) 및 희토류 이온 도핑 활성 이득(이터븀, 에르븀, 에르븀/이터븀, 비스무트 및 툴륨 도핑 활성 파이버 등)을 포함한 다양한 이득 메커니즘의 이점을 활용하여 랜덤 파이버 레이저는 1-2.1µm 대역에서 작동할 수 있습니다. 고정 펌프를 사용하는 랜덤 파이버 레이저에서 튜닝 가능한 필터 또는 파장 종속 포인트 미러를 결합하고 필터 또는 포인트 미러의 중심 파장을 변경하면 광범위한 범위에서 평평하고 효율적인 파장 튜닝을 달성할 수 있습니다. 또한 파장 프로그래밍 가능한 포인트 미러를 도입하여 랜덤 파이버 레이저의 스펙트럼을 프로그래밍하고 설계된 스펙트럼 모양에 따라 지속적으로 튜닝할 수 있습니다. 특히, 광대역 포인트 미러와 후방 산란 피드백을 기반으로 하는 계단식 랜덤 라만 파이버 레이저의 경우, 펌프 파장과 펌프 전력을 직접 변경하여 레이저 파장을 넓은 범위에 걸쳐 연속적으로 조정할 수 있습니다.
랜덤 파이버 레이저의 스펙트럼 제어
캐스케이드 랜덤 라만 파이버 레이저는 뛰어난 파장 유연성을 가지고 있습니다. 그러나 캐스케이드 변환 프로세스 동안 잔류 저차 스토크스 광은 레이저의 스펙트럼 순도가 감소하게 합니다. 새로운 유형의 시간 영역 안정 펌프 소스(비간섭성 광대역 증폭 자발 방출 펌핑, 이터비움 도핑 랜덤 파이버 레이저 펌핑, 선폭 확장 단일 주파수 레이저 펌핑 등)를 채택함으로써 연구자들은 높은 스펙트럼 순도를 가진 다양한 캐스케이드 랜덤 라만 파이버 레이저를 달성했습니다. 반면, 파이버에서 4파 혼합 및 교차 위상 변조와 같은 비선형 효과의 영향을 받는 높은 펌프 전력 하에서 완전 개방 캐비티 랜덤 파이버 레이저의 출력 스펙트럼 대역폭은 일반적으로 수 나노미터 수준입니다. 고효율 레이저 주파수 배가, 고정밀 측정, 코히어런트 파이버 통신과 같은 시나리오에서 좁은 선폭 광원의 요구를 충족하기 위해, 조정 가능한 스펙트럼 모양과 대역폭을 가진 다양한 포인트 반사기를 반개방형 캐비티 랜덤 파이버 레이저 구조에 추가하거나, 다른 이득 매체(예: 자극 브릴루앙 산란)와 다른 수동 파이버(예: 편광 유지 파이버, 고산란 파이버)를 사용하고 펌핑 방식을 최적화하여 좁은 대역 랜덤 파이버 레이저를 얻을 수 있습니다. 또한, 레이저에 스펙트럼 필터링 요소를 추가하거나 계단식 자극 브릴루앙 산란 이득을 사용하여 랜덤 파이버 레이저의 다중 파장 출력을 얻을 수 있습니다.
스펙트럼 제어를 기반으로 한 랜덤 파이버 레이저의 응용
랜덤 파이버 레이저의 구조적 설계와 유연한 파장 변환은 분산 신호 증폭, 높은 신호 대 잡음비 파이버 센싱, 비선형 주파수 변환 및 중적외선 펌핑과 같은 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 특수 대역에서 레이저 레이저를 실현하는 데 더 적합합니다. 동시에 공진 공동 구조에 기반한 파이버 레이저와 비교할 때 스펙트럼 모델이 없는 랜덤 파이버 레이저는 더 나은 시간 영역 안정성을 갖는 것으로 입증되었습니다. 따라서 랜덤 파이버 레이저는 레이저 소스 안정성에 대한 요구 사항이 높은 응용 시나리오에서 더 큰 이점을 갖습니다. 또한 랜덤 파이버 레이저의 낮은 코히어런스 및 스펙트럼 제어 가능성으로 인해 고성능 이미징 및 레이저 구동 관성 제한 융합에서 고유한 응용 잠재력을 보여줄 수 있습니다.
