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Jul 13, 2023

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 22625 (2016) Citare questo articolo

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I laser Raman casuali attirano ora molta attenzione poiché operano in mezzi di diffusione torbidi o trasparenti non attivi. Nell'ultimo caso, le fibre monomodali con feedback tramite retrodiffusione di Rayleigh generano un raggio laser unidirezionale di alta qualità. Tuttavia, tali laser a fibra hanno proprietà spettrali e di polarizzazione piuttosto scarse, che peggiorano con l'aumentare della potenza e dell'ordine di Stokes. Qui dimostriamo un laser Raman casuale in cascata polarizzato linearmente in una fibra che mantiene la polarizzazione. L'efficienza quantica di conversione della pompa (1,05 μm) nella radiazione di uscita è quasi indipendente dall'ordine di Stokes, pari a 79%, 83% e 77% per il 1° (1,11 μm), 2° (1,17 μm) e 3° (1,23 μm) rispettivamente, al rapporto di estinzione della polarizzazione > 22 dB per tutti gli ordini. La larghezza di banda del laser cresce con ordine crescente, ma è quasi indipendente dalla potenza nell'intervallo 1–10 W, pari a ~1, ~2 e ~3 nm per gli ordini 1–3, rispettivamente. Pertanto, il laser Raman casuale non mostra alcun degrado delle caratteristiche di uscita con l'aumento dell'ordine di Stokes. È stata sviluppata una teoria che descrive adeguatamente le caratteristiche uniche del laser. Pertanto, viene mostrata un'immagine completa del laser Raman casuale in cascata nelle fibre.

I laser casuali rappresentano ora una classe di sorgenti luminose in rapida crescita, in cui una cavità ottica convenzionale è sostituita da un feedback di diffusione multipla in un mezzo di guadagno disordinato, come cristalli laser o polveri di semiconduttori, vedere 1,2 per una revisione. I recenti sviluppi in questo campo includono miglioramenti delle prestazioni casuali del laser, nonché dimostrazioni dell'uso del laser in mezzi disordinati di nuovi tipi. Pertanto, il laser potenziato dal plasmone di superficie a bassa soglia è dimostrato in una matrice di nano-isole d'oro distribuite casualmente rivestite da uno strato guida d'onda di un polimero drogato con colorante3 o in un mezzo attivo semiconduttore (nanobarre di ZnO) con nanofiocchi di ossido di grafene4 . I dispositivi laser casuali basati su carta fluidica sono fabbricati mediante tecniche convenzionali di litografia morbida su una normale carta5. Il laser casuale può essere ottenuto in mezzi esotici come atomi di vapore freddo6 o tessuti biologici tra cui ossa infiltrate con colorante attivo7, ali di farfalla con nanoparticelle di ZnO semiconduttore8 e persino una singola cellula9. Questi risultati avviano lo sviluppo di tecnologie avanzate verso la realizzazione di componenti fotonici attivi biocompatibili e impiantabili8,9, bio-imaging di nuovo tipo comprendente la mappatura di tumori maligni10, diagnostica/dinamica di mezzi granulari11 o torbidi12 con un grande potenziale in farmacologia, come così come lo sviluppo di sorgenti a bassa coerenza adatte alla microscopia a campo pieno senza macchie o ai sistemi di proiezione di luce digitale13.

Per lo sviluppo di nuove sorgenti luminose, le prestazioni di un dispositivo competitivo diventano una vera sfida. In questo senso, i laser casuali a fibra14 sono riconosciuti come sorgenti luminose superiori ai laser casuali di altri tipi e in alcuni casi ai laser convenzionali. La struttura della guida d'onda della fibra è quasi unidimensionale e forma un fascio di uscita di alta qualità (modalità trasversale singola con profilo del fascio gaussiano) nella direzione desiderata utilizzando la flessibilità della fibra. Per il laser casuale sono adatte anche le fibre televisive convenzionali. Poiché il materiale in fibra (vetro di silice) è altamente trasparente per le radiazioni, soprattutto nella finestra spettrale delle telecomunicazioni intorno a 1,5 μm, i meccanismi di guadagno e feedback qui sono molto diversi da quelli dei laser casuali sfusi. Il guadagno della fibra è indotto dalla diffusione Raman (SRS) stimolata anelastica della luce della pompa mediante vibrazione delle molecole di SiO2 in un reticolo di vetro, mentre il feedback è fornito dalla diffusione elastica di Rayleigh dell'onda Stokes indotta da SRS su irregolarità submicroniche del vetro struttura, con una piccola parte (~10−3) di luce diffusa che ritorna nella fibra. Sebbene il feedback sia molto debole, è sufficiente per il laser in una fibra passiva lunga chilometri dato che il guadagno Raman integrale è proporzionale alla lunghezza della fibra e alla potenza della pompa.