脈衝雷射與混沌雷射的區別是什麼？

2020-11-24 光電匯

隨著雷射技術的發展，脈衝雷射在非線性光學、雷射加工、雷射雷達、光時鐘等科學和技術領域取得了重要的應用。與此同時，混沌雷射在保密通信、隨機數產生、雷射雷達等領域展現出重大應用潛力並受到廣泛關注。那麼，脈衝雷射和混沌雷射有哪些區別呢？


01

雷射輸出形式不同


首先，脈衝雷射與混沌雷射是兩種不同的雷射輸出形式，如圖1所示，脈衝雷射輸出強度時序表現為周期性脈衝，混沌雷射輸出強度時序則表現為隨機起伏。對應的，脈衝雷射的頻譜為單頻峰加諧波峰，混沌雷射的頻譜則為寬帶頻譜。


圖1 脈衝雷射（紅色）和混沌雷射（黑色）的時序波形（左）與頻譜（右）


02

產生方式不同


產生方式上，脈衝雷射的產生方式有兩種：一是脈衝抽運，二是鎖模。混沌雷射的產生則通過給穩定工作的雷射器施加一個或多個外部擾動，使雷射器進入混沌狀態。最典型的光反饋雷射器如圖2，穩定工作的雷射器，用一面鏡子將部分雷射反饋回雷射器內部，便可以使雷射器進入混沌狀態，輸出混沌雷射。除了光反饋外，擾動類型還有光注入、光電反饋等。


圖2 (a)光反饋混沌雷射器結構示意圖和混沌雷射的應用：(b)混沌雷射雷達，(c)混沌保密通信，(d)高速隨機密鑰產生


03

特點、參數不同


脈衝雷射具有超高速、高峰值功率、光頻梳狀光譜的特點。通過寬帶鎖模，脈衝雷射的脈衝寬度可壓縮至飛秒（10-15 s）甚至阿秒（10-18 s）量級，因此，脈衝雷射在超快理化過程研究、超快光通信等領域具有重要應用。脈衝雷射很容易實現W級峰值功率輸出，超高功率脈衝雷射的峰值功率甚至可達PW（1015 W）量級，因而高功率脈衝雷射在雷射加工、雷射雷達的應用無可替代。同時，脈衝雷射往往具有光頻梳狀的寬帶光譜，是精密光譜分析技術的重要工具。


混沌雷射強度、相位等參數都隨時間呈現無規則變化，具有類噪聲的特點，但遠比噪聲振蕩幅度大，且頻譜範圍可達10 GHz以上。因此，混沌在抗幹擾方面具備天然優勢，同時可實現毫米級精度的距離探測，在雷射雷達和光時域反射儀中具有重要應用價值。另外，類噪聲特性使其可以應用於高速隨機密鑰的產生、分發和保密通信中。


綜上，脈衝雷射和混沌雷射各具特點，脈衝雷射具有相對成熟的應用，而混沌雷射則表現出很大應用潛力。


作者簡介

王安幫，太原理工大學教授，國家優秀青年科學基金獲得者（2018），兼任山西省物理學會副理事長、中國雷射雜誌社青年編委。從事混沌雷射理論及應用研究，包括高熵混沌產生、高速物理密鑰產生與分發、混沌保密通信、網絡故障高精度檢測等。主持國家基金重點、優青等項目及山西省重點研發計劃，獲霍英東青年教師獎、教育部技術發明二等獎、山西省科學技術一等獎等。


封面來源：tupian.hudong.com



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