Récemment, l'équipe composée du professeur Zhao Yong de l'université du Nord-Est, du chercheur associé Wu Han de l'université du Sichuan, du chercheur associé Ma Rui de l'université de Shenzhen et du professeur Wang Zinan de l'université des sciences et technologies électroniques de Chine a collaboré pour décrire les progrès de pointe dans le mécanisme, les caractéristiques et les applications du contrôle spectral des lasers à fibre aléatoire. Ils ont présenté de manière exhaustive les progrès de la recherche sur les lasers à fibre aléatoire à haute pureté spectrale, à sortie à bande étroite, à réglage flexible de la longueur d'onde et à sortie multi-longueurs d'onde, ont brièvement résumé l'application des lasers à fibre aléatoire basés sur le contrôle spectral et ont anticipé les perspectives de développement, les voies de recherche et les défis auxquels sont confrontés les lasers à fibre aléatoire basés sur le contrôle spectral.
En tant que nouveau type de laser aléatoire, le laser à fibre aléatoire est devenu un point chaud de recherche développé au cours de la dernière décennie. Par rapport aux lasers à fibre traditionnels avec des structures de cavité résonnantes fixes, les lasers à fibre aléatoire ne nécessitent pas de structures de cavité résonnantes précises et offrent une plus grande liberté de conception structurelle. Les lasers à fibre aléatoire présentent des avantages en termes d'efficacité de conversion, de directivité, de coût, etc., et peuvent fournir une bonne plate-forme pour la construction de diverses formes de lasers hautes performances. En particulier, les lasers à fibre aléatoire basés sur différents supports de gain ont une excellente flexibilité de longueur d'onde et peuvent réaliser un laser à longueur d'onde arbitraire dans la bande de 1 à 2,1 µm. Ces dernières années, les chercheurs ont mené des recherches théoriques et expérimentales approfondies sur les caractéristiques spectrales des lasers à fibre aléatoire. Grâce à la régulation spectrale, les lasers à fibre aléatoire démontrent la capacité d'une pureté spectrale élevée, d'une bande passante étroite et d'une sortie multi-longueurs d'onde. De plus, les lasers à fibre aléatoire, avec leurs caractéristiques spectrales uniques, ont de vastes perspectives d'application dans les communications par fibre optique, la détection par fibre optique, l'imagerie sans tache, la génération de supercontinuum, la conversion de fréquence non linéaire, les sources de pompage laser infrarouge moyen et la fusion par confinement inertiel pilotée par laser (Figure 1).
Recherche fondamentale sur les caractéristiques spectrales des lasers à fibre aléatoire
Afin de décrire et d'analyser théoriquement les caractéristiques spectrales des lasers à fibre aléatoire et d'explorer leurs lois physiques, les chercheurs ont proposé un modèle d'équilibre à l'état stationnaire dépendant du spectre, un modèle de Schrödinger non linéaire et un modèle de dynamique des ondes pour évaluer avec précision la puissance de sortie et le processus de changement spectral des lasers à fibre aléatoire. Ces dernières années, les chercheurs ont exploré expérimentalement les caractéristiques statistiques spectrales des lasers à fibre aléatoire, introduit la rupture de symétrie de réplique dans les lasers à fibre aléatoire et utilisé des méthodes d'analyse statistique basées sur la théorie du verre de spin pour explorer le désordre et les interactions non linéaires dans les lasers à fibre aléatoire.
Lasers à fibre aléatoire avec une excellente flexibilité de longueur d'onde
Bénéficiant de différents mécanismes de gain, notamment un gain par effet non linéaire du troisième ordre (tel que la diffusion Raman stimulée et la diffusion Brillouin stimulée) et un gain actif par dopage aux ions de terres rares (tel que les fibres actives dopées à l'ytterbium, à l'erbium, à l'erbium/ytterbium, au bismuth et au thulium), les lasers à fibre aléatoire peuvent fonctionner dans la bande 1-2.1µm. Dans les lasers à fibre aléatoire utilisant des pompes fixes, la combinaison de filtres accordables ou de miroirs ponctuels dépendants de la longueur d'onde et la modification de la longueur d'onde centrale des filtres ou des miroirs ponctuels peuvent permettre un réglage plat et efficace de la longueur d'onde sur une large plage. De plus, en introduisant des miroirs ponctuels programmables en longueur d'onde, le spectre des lasers à fibre aléatoire peut être programmé et réglé en continu en fonction de la forme spectrale conçue. En particulier, pour les lasers à fibre Raman aléatoires en cascade basés sur des miroirs ponctuels à large bande et une rétrodiffusion, la longueur d'onde du laser peut être réglée en continu sur une large plage en modifiant directement la longueur d'onde de pompage et la puissance de pompage.
Contrôle spectral des lasers à fibre aléatoire
Les lasers à fibre Raman aléatoires en cascade présentent une excellente flexibilité de longueur d'onde. Cependant, pendant le processus de conversion en cascade, la lumière Stokes résiduelle d'ordre faible entraînera une diminution de la pureté spectrale du laser. En adoptant un nouveau type de source de pompage stable dans le domaine temporel (comme le pompage par émission spontanée amplifiée à large bande incohérente, le pompage laser à fibre aléatoire dopé à l'ytterbium et le pompage laser à fréquence unique à largeur de ligne élargie), les chercheurs ont obtenu une variété de lasers à fibre Raman aléatoires en cascade avec une pureté spectrale élevée. D'autre part, sous une puissance de pompage élevée, affectée par des effets non linéaires tels que le mélange à quatre ondes et la modulation de phase croisée dans la fibre, la bande passante spectrale de sortie du laser à fibre aléatoire à cavité entièrement ouverte est généralement de l'ordre de plusieurs nanomètres. Afin de répondre aux besoins des sources lumineuses à largeur de ligne étroite dans des scénarios tels que le doublage de fréquence laser à haut rendement, la mesure de haute précision et la communication cohérente par fibre, des lasers à fibre aléatoire à bande étroite peuvent être obtenus en ajoutant divers réflecteurs ponctuels avec une forme spectrale et une bande passante réglables à la structure laser à fibre aléatoire à cavité semi-ouverte, ou en utilisant différents supports de gain (tels que la diffusion Brillouin stimulée) et différentes fibres passives (telles que la fibre à maintien de polarisation, la fibre à diffusion élevée) et en optimisant le schéma de pompage. De plus, une sortie multi-longueurs d'onde de lasers à fibre aléatoire peut être obtenue en ajoutant des éléments de filtrage spectral au laser ou en utilisant un gain de diffusion Brillouin stimulée en cascade.
Application des lasers à fibre aléatoires basés sur le contrôle spectral
La conception structurelle et la conversion flexible de la longueur d'onde des lasers à fibre aléatoire les rendent plus adaptés à la réalisation de lasers dans des bandes spéciales pour répondre aux besoins d'applications telles que l'amplification de signaux distribués, la détection de fibre à rapport signal/bruit élevé, la conversion de fréquence non linéaire et le pompage dans l'infrarouge moyen. Dans le même temps, par rapport aux lasers à fibre basés sur des structures à cavité résonante, les lasers à fibre aléatoires spectralement sans mode se sont avérés avoir une meilleure stabilité dans le domaine temporel. Par conséquent, les lasers à fibre aléatoires présentent de plus grands avantages dans les scénarios d'application avec des exigences élevées en matière de stabilité de la source laser. De plus, la faible cohérence et la contrôlabilité spectrale des lasers à fibre aléatoire leur permettent de montrer un potentiel d'application unique dans l'imagerie haute performance et la fusion par confinement inertiel pilotée par laser.
