Режим синхронизации - Mode-locking

Для использования в других целях см. Арнольд язык и Несогласованность § Синхронизация мод.

Режим синхронизации это техника в оптика по которому лазер можно заставить производить световые импульсы чрезвычайно короткой продолжительности, порядка пикосекунд (10−12 с) или фемтосекунды (10−15 с). Лазер, работающий таким образом, иногда называют фемтосекундный лазер, например в современном рефракционная хирургия. Основа метода - вызвать фиксированноефаза отношения между продольными режимы лазерного резонансная полость. Конструктивное вмешательство Между этими режимами лазерный свет может формироваться как последовательность импульсов. Тогда говорят, что лазер работает с фазовой синхронизацией или синхронизацией мод.

Режимы лазерного резонатора

Структура лазерного режима
Полностью отражающий резонатор с синхронизацией мод, поддерживающий первые 30 мод. На верхнем графике показаны первые 8 мод внутри полости (линии) и полное электрическое поле в различных положениях внутри полости (точки). На нижнем графике показано полное электрическое поле внутри полости.

Хотя лазерный свет, пожалуй, самая чистая форма света, он не является единственным, чистым частота или же длина волны. Все лазеры излучают свет поверх естественного пропускная способность или диапазон частот. Полоса пропускания лазера определяется в первую очередь получить средний из которой построен лазер, и диапазон частот, в котором может работать лазер, известен как ширина полосы усиления. Например, типичный гелий-неоновый лазер имеет полосу усиления около 1,5 ГГц (диапазон длин волн около 0,002нм на центральной длине волны 633 нм), тогда как сапфир, легированный титаном (Ti: сапфир ) твердотельный лазер имеет полосу пропускания около 128 ТГц (диапазон длин волн 300 нм с центром в 800 нм).

Второй фактор для определения частот излучения лазера - это оптический резонатор (или резонатор) лазера. В простейшем случае он состоит из двух плоских (плоских) зеркала лицом друг к другу, окружая усиливающую среду лазера (такое расположение известно как Фабри-Перо полость). Поскольку свет - это волна, отражаясь между зеркалами резонатора, свет будет конструктивно и деструктивно вмешиваться с собой, что приводит к образованию стоячие волны или же режимы между зеркалами. Эти стоячие волны образуют дискретный набор частот, известный как продольные моды полости. Эти моды являются единственными частотами света, которые самовосстанавливаются и позволяют колебаться в резонансной полости; все остальные частоты света подавляются деструктивными помехами. Для простого резонатора с плоским зеркалом допустимые моды - это те, для которых расстояние между зеркалами L точно кратное половине длины волны света λ, так что L = qλ/2, куда q - целое число, известное как порядок режимов.

На практике, L обычно намного больше, чем λ, поэтому соответствующие значения q большие (около 105 до 106). Более интересным является разделение частот между любыми двумя соседними модами. q и q+1; это дано (для пустого линейного резонатора длиной L) на Δν:

куда c это скорость света (≈3×108 РС−1).

Используя приведенное выше уравнение, небольшой лазер с расстоянием между зеркалами 30 см имеет частотное разделение между продольными модами 0,5 ГГц. Таким образом, для двух лазеров, упомянутых выше, с резонатором 30 см, полоса пропускания 1,5 ГГц HeNe-лазера будет поддерживать до 3 продольных мод, тогда как полоса пропускания 128 ТГц Ti: сапфирового лазера может поддерживать приблизительно 250 000 мод. Когда возбуждается более одной продольной моды, говорят, что лазер находится в "многомодовом" режиме работы. Когда возбуждается только одна продольная мода, говорят, что лазер работает в «одномодовом» режиме.

Каждая индивидуальная продольная мода имеет некоторую ширину полосы или узкий диапазон частот, в котором она работает, но обычно эта ширина полосы определяется коэффициентом добротности (см. Индуктор ) полости (см. Интерферометр Фабри – Перо ), намного меньше межмодового частотного разноса.

Теория синхронизации мод

В простом лазере каждая из этих мод колеблется независимо, без фиксированной связи между собой, по сути, как набор независимых лазеров, все излучающие свет с немного разными частотами. Человек фаза Количество световых волн в каждом режиме не является фиксированным и может изменяться случайным образом из-за таких вещей, как тепловые изменения в материалах лазера. В лазерах с несколькими колебательными модами интерференция между модами может вызвать избиение эффекты на выходе лазера, приводящие к колебаниям интенсивности; в лазерах с тысячами мод эти интерференционные эффекты имеют тенденцию к усреднению до почти постоянной выходной интенсивности.

Если вместо независимой генерации каждая мода работает с фиксированной фазой между ней и другими модами, выходной сигнал лазера будет вести себя совершенно иначе. Вместо случайной или постоянной выходной интенсивности все режимы лазера будут периодически конструктивно интерферировать друг с другом, создавая интенсивную вспышку или импульс света. Такой лазер называется «синхронизированным по модам» или «фазовой синхронизацией». Эти импульсы происходят с интервалом во времени. τ = 2L/c, куда τ это время, за которое свет совершает ровно один круговой обход лазерного резонатора. Это время соответствует частоте, точно равной разносу мод лазера, Δν = 1/τ.

Продолжительность каждого светового импульса определяется количеством мод, которые колеблются в фазе (в реальном лазере не обязательно верно, что все моды лазера будут синхронизированы по фазе). Если есть N режимы синхронизированы с частотным разделением Δν, общая полоса пропускания с синхронизацией режима равна NΔν, и чем шире эта полоса пропускания, тем короче длительность импульса от лазера. На практике фактическая длительность импульса определяется формой каждого импульса, которая, в свою очередь, определяется точным соотношением амплитуды и фазы каждой продольной моды. Например, для лазера, генерирующего импульсы с Гауссовский временная форма, минимально возможная длительность импульса Δт дан кем-то

Значение 0,441 известно как "произведение ширины полосы частот" импульса и изменяется в зависимости от формы импульса. За ультракороткий импульс лазеры, а гиперболический секанс -квадрат (sech2) форма импульса часто принимается, давая произведение времени на ширину полосы 0,315.

Используя это уравнение, можно рассчитать минимальную длительность импульса в соответствии с измеренной шириной спектра лазера. Для гелий-неонового лазера со спектральной шириной 1,5 ГГц самый короткий гауссов импульс, соответствующий этой спектральной ширине, будет составлять около 300 пикосекунд; для Ti: сапфирового лазера с полосой пропускания 128 ТГц эта спектральная ширина будет всего 3,4 фемтосекунды. Эти значения представляют собой минимально возможные гауссовы импульсы, соответствующие ширине линии лазера; в реальном лазере с синхронизацией мод фактическая длительность импульса зависит от многих других факторов, таких как фактическая форма импульса и общая разброс полости.

Последующая модуляция в принципе могла бы еще больше сократить ширину импульса такого лазера; тем не менее, измеренная спектральная ширина будет соответственно увеличена.

Методы синхронизации мод

Способы получения синхронизации мод в лазере можно разделить на «активные» и «пассивные». Активные методы обычно включают использование внешнего сигнала, чтобы вызвать модуляция внутрирезонаторного света. Пассивные методы не используют внешний сигнал, а основываются на помещении какого-либо элемента в резонатор лазера, который вызывает самомодуляцию света.

Активная синхронизация режимов

Наиболее распространенный метод активной синхронизации мод помещает стоячую волну электрооптический модулятор в лазерный резонатор. При подаче электрического сигнала возникает синусоидальный амплитудная модуляция света в полости. Учитывая это в частотной области, если мода имеет оптическую частоту ν, и амплитудно-модулированный с частотой ж, результирующий сигнал боковые полосы на оптических частотах ν − ж и ν + ж. Если модулятор приводится в действие с той же частотой, что и расстояние между модами резонатора Δν, то эти боковые полосы соответствуют двум модам резонатора, смежным с исходной модой. Поскольку боковые полосы возбуждаются синфазно, центральная мода и соседние моды будут синхронизированы по фазе вместе. Дальнейшая работа модулятора на боковых полосах приводит к фазовой синхронизации ν − 2ж и ν + 2ж режимы и так далее, пока все режимы в полосе усиления не будут заблокированы. Как было сказано выше, типичные лазеры являются многомодовыми и не запускаются корневой модой. Таким образом, необходимо решить, какую фазу использовать в нескольких режимах. В пассивной полости с этой блокировкой нет возможности сбросить энтропия даны исходными независимыми фазами. Эту блокировку лучше описать как сцепление, приводящее к сложному поведению и не чистым импульсам. Связь является диссипативной только из-за диссипативного характера амплитудной модуляции. В противном случае фазовая модуляция не сработает.

Этот процесс также можно рассматривать во временной области. Амплитудный модулятор действует как слабый «затвор» для света, отражающегося между зеркалами резонатора, ослабляя свет, когда он «закрыт», и пропуская его, когда он «открыт». Если частота модуляции ж синхронизируется с временем обхода резонатора τ, то один импульс света будет отражаться в полости взад и вперед. Фактическая сила модуляции не должна быть большой; модулятор, который ослабляет 1% света в «закрытом» состоянии, будет синхронизировать режим лазера, поскольку одна и та же часть света многократно ослабляется при прохождении через резонатор.

Связанная с этой амплитудной модуляцией (AM), активная синхронизация мод модуляция частоты (FM) синхронизация мод, в которой используется модуляторное устройство на основе акустооптический эффект. Это устройство, помещенное в резонатор лазера и приводимое в действие электрическим сигналом, вызывает небольшой синусоидальный сдвиг частоты проходящего через него света. Если частота модуляции согласована со временем прохождения резонатора туда и обратно, тогда некоторый свет в резонаторе видит повторяющиеся сдвиги вверх по частоте и некоторые повторяющиеся сдвиги вниз. После множества повторений свет с повышенным и пониженным смещением выходит за пределы полосы усиления лазера. Единственный свет, на который не влияет, - это свет, который проходит через модулятор, когда индуцированный сдвиг частоты равен нулю, что формирует узкий световой импульс.

Третий метод активной синхронизации мод - это синхронная синхронизация мод или синхронная накачка. При этом сам источник накачки (источник энергии) для лазера модулируется, эффективно включая и выключая лазер для создания импульсов. Обычно источником накачки является другой лазер с синхронизацией мод. Этот метод требует точного согласования длин резонаторов лазера накачки и управляемого лазера.

Пассивная синхронизация мод

Методы пассивной синхронизации мод - это методы, которые не требуют внешнего по отношению к лазеру сигнала (например, управляющего сигнала модулятора) для создания импульсов. Скорее, они используют свет в резонаторе, чтобы вызвать изменение в каком-то внутрирезонаторном элементе, который затем сам произведет изменение внутрирезонаторного света. Обычно для этого используется насыщающийся поглотитель.

Насыщающийся поглотитель - это оптическое устройство, пропускание которого зависит от интенсивности. Это означает, что устройство ведет себя по-разному в зависимости от интенсивности проходящего через него света. Для пассивной синхронизации мод в идеале насыщающийся поглотитель будет избирательно поглощать свет низкой интенсивности и пропускать свет достаточно высокой интенсивности. При помещении в резонатор лазера насыщающийся поглотитель будет ослаблять свет постоянной волны низкой интенсивности (крылья импульса). Однако из-за несколько случайных флуктуаций интенсивности, испытываемых лазером без синхронизации мод, любой случайный интенсивный всплеск будет передаваться преимущественно насыщающимся поглотителем. Когда свет в резонаторе колеблется, этот процесс повторяется, что приводит к избирательному усилению выбросов высокой интенсивности и поглощению света низкой интенсивности. После многих обходов это приводит к последовательности импульсов и синхронизации мод лазера.

Учитывая это в частотной области, если мода имеет оптическую частоту ν, и амплитудно-модулированный с частотой нф, результирующий сигнал боковые полосы на оптических частотах ν − нф и ν + нф и обеспечивает более сильную синхронизацию мод для более коротких импульсов и большей стабильности, чем активная синхронизация мод, но имеет проблемы с запуском.

Насыщаемые поглотители обычно жидкие. органический красители, но их также можно изготавливать из легированных кристаллы и полупроводники. Полупроводниковые поглотители, как правило, имеют очень малое время отклика (~ 100 фс), что является одним из факторов, определяющих конечную длительность импульсов в лазере с пассивной синхронизацией мод. В лазер с синхронизацией мод на встречных импульсах поглотитель делает переднюю кромку круче, а лазерная среда увеличивает крутизну заднего фронта импульса.

Существуют также схемы пассивной синхронизации мод, которые не зависят от материалов, которые напрямую демонстрируют поглощение, зависящее от интенсивности. В этих методах нелинейно-оптический эффекты во внутрирезонаторных компонентах используются для обеспечения метода селективного усиления света высокой интенсивности в полости и ослабления света низкой интенсивности. Одна из самых удачных схем называется Керровская линза с синхронизацией мод (KLM), также иногда называемый «самосинхронизацией мод». При этом используется нелинейно-оптический процесс, оптический Эффект Керра, что приводит к тому, что свет высокой интенсивности фокусируется иначе, чем свет низкой интенсивности. Путем тщательного размещения апертуры в резонаторе лазера этот эффект может быть использован для получения эквивалента сверхбыстрого насыщающегося поглотителя.

Гибридная синхронизация мод

В некоторых полупроводниковых лазерах может использоваться комбинация двух вышеупомянутых методов. Используя лазер с насыщающимся поглотителем и модулируя электрическую инжекцию на той же частоте, на которой синхронизируется лазер, можно стабилизировать лазер с помощью электрической инжекции. Это имеет преимущество в стабилизации фазового шума лазера и может уменьшить временное дрожание импульсов лазера.

Синхронизация мод остаточными полями резонатора

Когерентный перенос фазовой информации между последующими лазерными импульсами также наблюдался из нанопроволочные лазеры. Здесь фазовая информация хранится в поле остаточных фотонов когерентных колебаний Раби в резонаторе. Такие открытия открывают путь к фазовой синхронизации источников света, интегрированных в фотонные схемы и приложения на уровне кристалла, такие как гребенчатая спектроскопия Рамсея на кристалле.[1]

Синхронизация мод в области Фурье

Основная статья: Синхронизация мод в области Фурье

Синхронизация мод в области Фурье (FDML) - это лазер режим метод, который создает непрерывный световой поток со свипированием по длине волны.[2] Основное применение лазеров FDML - это оптической когерентной томографии.

Практичные лазеры с синхронизацией мод

На практике на характеристики лазера с синхронизацией мод влияет ряд конструктивных соображений. Наиболее важными являются общие разброс лазерного оптический резонатор, которым можно управлять с помощью призменный компрессор или несколько диспергирующих зеркал, помещенных в резонатор, и оптические нелинейности. Для чрезмерной чистой дисперсии групповой задержки (GDD) лазерного резонатора фаза моды резонатора не могут быть синхронизированы в большой полосе частот, и будет трудно получить очень короткие импульсы. Для подходящей комбинации отрицательного (аномального) сетевого GDD с Керровская нелинейность, солитон -подобные взаимодействия могут стабилизировать синхронизацию мод и способствовать генерации более коротких импульсов. Наименьшая возможная длительность импульса обычно достигается либо для нулевой дисперсии (без нелинейностей), либо для некоторой слегка отрицательной (аномальной) дисперсии (используя солитонный механизм).

Самые короткие оптические импульсы, производимые напрямую, обычно производятся Керровская линза с синхронизацией режима Титан-сапфировые лазеры длительностью около 5 фемтосекунд. В качестве альтернативы усиленные импульсы аналогичной длительности создаются путем сжатия более длинных (например, 30 фс) импульсов через фазовая самомодуляция в волокне с полой сердцевиной или во время филаментации. Однако минимальная длительность импульса ограничена периодом несущей частоты (который составляет около 2,7 фс для систем Ti: S), поэтому более короткие импульсы требуют перехода на более короткие длины волн. Некоторые передовые методы (включая генерацию высоких гармоник с помощью усиленных фемтосекундных лазерных импульсов) могут использоваться для создания оптических элементов с длительностью до 100 аттосекунды в крайнем ультрафиолетовом диапазоне спектра (т.е. <30 нм). Другие достижения, особенно важные для лазерные приложения, касаются разработки лазеров с синхронизацией мод, накачка которых возможна лазерные диоды, может генерировать очень высокую среднюю выходную мощность (десятки ватт) в субпикосекундных импульсах или генерировать последовательности импульсов с чрезвычайно высокой частотой повторения в несколько ГГц.

Длительность импульса менее примерно 100 фс слишком коротка для прямого измерения с помощью оптоэлектронный техники (т.е. фотодиоды ), а также косвенные методы, такие как автокорреляция, оптический строб с частотным разрешением, спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля или же фазовая развертка многофотонной внутриимпульсной интерференции используются.

Приложения

  • Термоядерная реакция. (термоядерный синтез с инерционным удержанием ).
  • Нелинейная оптика, Такие как генерация второй гармоники, параметрическое преобразование с понижением частоты, оптические параметрические генераторы, и генерация Терагерцовое излучение
  • Оптическое хранилище данных использует лазеры, а новые технологии 3D оптическое хранилище данных обычно полагается на нелинейную фотохимию. По этой причине во многих примерах используются лазеры с синхронизацией мод, поскольку они могут обеспечить очень высокую частоту повторения ультракоротких импульсов.
  • Фемтосекундная лазерная наномеханическая обработка - короткие импульсы могут использоваться для наномеханической обработки многих типов материалов.
  • Примером пико- и фемтосекундной микрообработки является сверление кремниевой струйной поверхности струйных принтеров.
  • Двухфотонная микроскопия
  • Хирургия роговицы (видеть рефракционная хирургия ). Фемтосекундные лазеры можно использовать для создания пузырей в роговица. Линия пузырьков может использоваться для создания разреза на роговице, заменяя микрокератом, например для создания лоскута в ЛАСИК хирургическое вмешательство (иногда его называют интраласиком или полностью лазерной операцией). Пузырьки можно также создавать в нескольких слоях, чтобы можно было удалить кусок ткани роговицы между этими слоями (процедура, известная как Удаление лентикулы через небольшой разрез ).
  • Была разработана лазерная техника, которая делает поверхность металлов темно-черной. Фемтосекундный лазерный импульс деформирует поверхность металла, формируя наноструктуры. Чрезвычайно увеличенная площадь поверхности может поглощать практически весь падающий на нее свет, делая его темно-черным. Это один из видов черное золото[3]
  • Фотонная выборка с использованием высокой точности лазеров по сравнению с электронными часами для уменьшения ошибки выборки в электронных АЦП

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Mayer, B., et al. «Долговременная взаимная фазовая синхронизация пар пикосекундных импульсов, генерируемых полупроводниковым лазером на нанопроволоке». Nature Communications 8 (2017): 15521.
  2. ^ Р. Хубер, М. Войтковски и Дж. Г. Фудзимото, "Фурье-синхронизация мод (FDML): новый режим работы лазера и приложения для оптической когерентной томографии", Опт. Экспресс 14, 3225-3237 (2006 г.) )
  3. ^ "Ультра-интенсивный лазерный взрыв создает настоящий черный металл'". Получено 2007-11-21.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка