Лазерлік импульстарды құлыптау әдісі: Kerr линзалық құлыптау (KLM) туралы толық мәлімет. Фемтосекундтық импульстарды жасау, оптикалық эффекттер, лазер физикасы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Лазерлік режимді құлыптау әдісі
Laser mode locking method
Керр линзасының режимді құлыптау әдісі (KLM) – лазерлерді сызықты емес оптикалық Керр эффектісі арқылы режимді құлыптау әдісі. Бұл әдіс бірнеше фемтосекундқа дейінгі ұзақтықтағы жарық импульстарын жасауға мүмкіндік береді. Оптикалық Керр эффектісі – оптикалық ортаның электромагниттік толқынның электр өрісіне сызықты емес жауабынан туындайтын процесс. Ортаның сындыру көрсеткіші өріс күшіне тәуелді. Гаусс шолындағы қуат тығыздығының біркелкі емес таралуынан (лазерлік резонаторларда кездесетіндей) шол профилі бойынша сындыру көрсеткіші өзгереді; шолда кездесетін сындыру көрсеткіші шетке қарағанда шол ортасында үлкен. Осылайша, белсенді Керр ортасының таяқшасы жоғары интенсивті жарық үшін линза ретінде қызмет етеді. Бұл өзін-өзі фокустау деп аталады және өте ауыр жағдайларда материалдың бұзылуына әкеледі. Лазерлік қуыстағы қысқа жарық импульстары үздіксіз толқындардан өзгеше фокусталады. Импульстік режимді жалғаспалы толқын режиміне қарағанда басым ету үшін қуысты үздіксіз толқын режимі үшін тұрақсыз етуге болады, бірақ көбінесе төменгі тұрақтылық – қуыстың дизайнының қосалқы нәтижесі болып табылады, ол апертура эффектілеріне баса назар аударады. Ескі конструкциялар қатты апертураны пайдаланған, ол жай ғана кесіп тастайды, ал қазіргі конструкциялар жұмсақ апертураны пайдаланады, яғни сорғыланатын ортаның және импульстің аумағы арасындағы жабылуды білдіреді. Линзаның бос лазер шолына тигізетін әсері айқын болса, қуыстың ішінде бүкіл шол осы өзгеріске бейімделуге тырысады. Лазерлік кристалдегі жазық айналар мен жылу линзасы бар стандартты қуыстың шеткі айналарында ең кішкентай шол ені бар. Қосымша Керр линзасымен шеткі айнаның ені одан да кішкентай болады. Сондықтан кішкентай шеткі айналар (қатты апертура) импульстарды жақсы көреді. Ti:Сапфир осцилляторларында интенсивтілікті арттыру үшін телескоптар кристалдың айналасына орналастырылады. Жұмсақ апертура үшін жылу линзасы бар шексіз лазерлік кристалды қарастырайық. Лазер шолы шыны талшық сияқты бағытталады. Қосымша Керр линзасы бар шол ені кішірейеді. Нақты лазерде кристалдың мөлшері шектеулі. Қуыстың екі жағында да дөңес айна және одан кейін жазық айнаға дейінгі салыстырмалы ұзақ жол бар. Үздіксіз толқын жарығы кристалдың соңғы бетінен үлкен шол енімен және аздап шашыраумен шығады. Ол дөңес айнаның кішкентай аумағын жарықтандырады, бұл жазық айнаға бағытталғанда кішкентай шол еніне әкеледі. Осылайша дифракция күштірек болады. Шашыраудың салдарынан жарық бір-бірінен алыс нүктеден келгендей болады және дөңес айнадан кейін көбірек жинақталуға әкеледі. Бұл жинақталу дифракциямен теңестіріледі. Импульстік жарық шеткі бетінен кішкентай шол енімен және шашыраусыз шығады. Осылайша ол дөңес айнаның үлкен аумағын жарықтандырады және кейіннен аз жинақталады. Осылайша, үздіксіз толқындар мен импульстік жарық фронттары бір-біріне қайтарылады. Конфокалды қуысқа жақын қуыс тұрақсыздыққа жақын болуын білдіреді, яғни шол диаметрі қуыстың өзгерістеріне сезімтал. Бұл модуляцияны күшейтеді. Шамалы асимметриялық қуыспен қуысты ұзарту дифракцияға баса назар аударады және тіпті үздіксіз толқындық жұмыс үшін тұрақсыз етеді, ал импульстік жұмыс үшін тұрақты болып қалады. KLM үшін қолданылатын ортаның ұзындығы топтық жылдамдық дисперсиясымен шектеледі. KLM Carrier конвертінің смещениесін бақылауда қолданылады.
Kerr lens mode locking (KLM) is a method of mode locking lasers via the nonlinear optical Kerr effect. This method allows the generation of pulses of light with a duration as short as a few femtoseconds. The optical Kerr effect is a process which results from the nonlinear response of an optical medium to the electric field of an electromagnetic wave. The refractive index of the medium is dependent on the field strength. Because of the non uniform power density distribution in a Gaussian beam (as found in laser resonators) the refractive index changes across the beam profile; the refractive index experienced by the beam is greater in the center of the beam than at the edge. Thus a rod of an active Kerr medium functions as a lens for high intensity light. This is called self focusing and in extreme cases leads to material destruction. In the laser cavity short bursts of light will then be focused differently from continuous waves. To favor the pulsed mode over continuous wave, the cavity could be made unstable for continuous wave operation, but more often a low stability is a by product of a cavity design putting emphasis on aperture effects. Older designs used a hard aperture, that simply cuts off, while modern designs use a soft aperture, that means the overlap between the pumped region of the gain medium and the pulse. While the effect of a lens on a free laser beam is quite obvious, inside a cavity the whole beam tries to adapt to this change. The standard cavity with flat mirrors and a thermal lens in the laser crystal has the smallest beam width on the end mirrors. With the additional Kerr lens the width on the end mirror gets even smaller. Therefore, small end mirrors (hard aperture) favor pulses. In Ti:Sapphire oscillators telescopes are inserted around the crystal to increase the intensity. For a soft aperture consider an infinite laser crystal with a thermal lens. A laser beam is guided like in a glass fiber. With an additional Kerr lens the beam width gets smaller. In a real laser the crystal is finite. The cavity on both sides features a concave mirror and then a relative long path to a flat mirror. The continuous wave light exits the crystal end face with a larger beam width and slight divergence. It illuminates a smaller area on the concave mirror, leading to a small beam width on the way to the flat mirror. Thus diffraction is stronger. Because of the divergence the light is effectively coming from a point farther apart and leads to more convergence after the concave mirror. This convergence is balanced with diffraction. The pulsed light exits the end face with a smaller beam width and no divergence. Thus it illuminates a larger area on the concave mirror and is less convergent afterwards. So both continuous waves and pulsed light fronts are mirrored back onto themselves. A cavity close to a confocal one means to be close to instability, which means the beam diameter is sensitive to cavity changes. This emphasizes the modulation. With a slightly asymmetric cavity prolonging the cavity emphasizes diffraction and even makes it unstable for continuous wave operation, while staying stable for pulsed operation. The length of the medium used for KLM is limited by group velocity dispersion. KLM is used in Carrier envelope offset control.
Керр линзасының модельдік лазерін іске қосу
Керр линзасының модельдік құлыпталуының басталуы, қатысатын сызықтық емес әсердің күшіне байланысты. Лазерлік өріс қуыста жиналғанда, лазер үздіксіз толқын режимін жеңуі керек, ол көбінесе сорғы механизмімен ыңғайлы болады. Бұл, лазерлік өрістің күшінің шағын өзгерістерінен (лазерлік өрістің жиналуы немесе кездейсоқ ауытқулар) туындаған модельдік құлыпталуға жеткілікті күшті Керр линзасы арқылы қол жеткізілуі мүмкін. Модельдік құлыпталуды резонатор қуысының соңғы айнасын жылжыту арқылы қуат тығыздығын өзгертіп, үздіксіз толқын режимінен импульстіқ режимге оңтайлы фокусты ауыстыру арқылы да бастауға болады (бірақ пьезоэлементке орнатылған, синхронды осцилляциялық соңғы айна "кілттаспалық" шешім болар еді). Басқа принциптерде, Керр линзалау процесін бастауға жеткілікті қысқа импульстар тудыратын қанықтырылатын абсорберлер және қанықтырылатын Брагг рефлекторлары сияқты әртүрлі сызықтық емес әсерлер қолданылады.
Initiation of Kerr lens modelocking depends on the strength of the nonlinear effect involved. If the laser field builds up in a cavity the laser has to overcome the region of continuous wave operation, which often is favoured by the pumping mechanism. This can be achieved by a very strong Kerr lensing that is strong enough to modelock due to small changes of the laser field strength (laser field build up or stochastic fluctuations). Modelocking can also be started by shifting the optimum focus from the continuous wave operation to pulsed operation while changing the power density by kicking the end mirror of the resonator cavity (though a piezo mounted, synchronous oscillating end mirror would be more 'turn key'). Other principles involve different nonlinear effects like saturable absorbers and saturable Bragg reflectors, which induce pulses short enough to initiate the Kerr lensing process.
Модельдік блоктау импульстің дамуы
Нанносекундтар ұзақтығындағы қарқындылық өзгерістері Керр линзалау процесі арқылы күшейтіледі және импульстің ортасындағы өріс күшін арттыру үшін импульс ұзындығы одан әрі қысқарады. Бұл қатайту процесі лазерлік материалдың және қуыс айналардың өткізу қабілетімен, сондай-ақ қуыстың дисперсиясымен ғана шектеледі. Белгілі бір спектрмен қол жетімді ең қысқа импульс – өткізу қабілетімен шектелген импульс деп аталады. Шыңдалған айна технологиясы материалдық дисперсияға байланысты қуыс ішіндегі әртүрлі толқын ұзындықтарының уақыт бойынша үйлесімсіздігін толықтыруға мүмкіндік береді, сонымен қатар тұрақтылықты жоғары және шығынды төмен ұстайды. Керр эффекті бір мезгілде Керр линзасын және өздік фазалық модуляцияны тудырады. Алғашқы жуықтауда оларды тәуелсіз эффектілер ретінде қарастыруға болады.
Intensity changes with lengths of nanoseconds are amplified by the Kerr lensing process and the pulselength further shrinks to achieve higher field strengths in the center of the pulse. This sharpening process is only limited by the bandwidth achievable with the laser material and the cavity mirrors as well as the dispersion of the cavity. The shortest pulse achievable with a given spectrum is called the bandwidth limited pulse. Chirped mirror technology allows to compensate for timing mismatch of different wavelengths inside the cavity due to material dispersion while keeping the stability high and the losses low. The Kerr effect leads to the Kerr lens and Self phase modulation at the same time. To a first approximation it is possible to consider them as independent effects.
Қолданбалар
Керр линзасының модельдік құлыпталуы электр өрісіне тікелей әсер ететін эффект болғандықтан, реакция уақыты көрінетін және жақын инфрақызыл диапазонда 5 фемтосекундтан кем ұзындықтағы жарық импульстарын жасауға жеткілікті жылдам. Жоғары электр өрісінің күшіне байланысты, фокусталған ультрақысқа лазер сәулелері 1014 Вт/см2 шегінен асып түседі, бұл атомдардағы электрон-ион байланысының өріс күшінен жоғары. Бұл қысқа импульстар ультражылдам оптиканың жаңа саласын ашады, бұл сызықтық емес оптиканың бір саласы болып табылады және атомдағы электрондардың қозғалысын өлшеу (аттосекундтық құбылыстар), когерентті кең спектрлі жарық генерациясы (ультракент жолақты лазерлер) сияқты құбылыстардың жаңа класына қол жеткізуге мүмкіндік береді, сондай-ақ оптикалық сенсорлауда (мысалы, когерентті лазерлік радар, өте жоғары ажыратымдылықтағы оптикалық когерентті томография), материалдарды өңдеу және метрология (өте дәл жиілік және уақыт өлшемдері) сияқты басқа да салаларда көптеген жаңа қолданыстарға жол ашады.
Since Kerr lens modelocking is an effect that directly reacts on the electric field, the response time is fast enough to produce light pulses in the visible and near infrared with lengths of less than 5 femtoseconds. Due to the high electrical field strength focused ultrashort laser beams can overcome the threshold of 1014 W cm−2, which surpasses the field strength of the electron ion bond in atoms. These short pulses open the new field of ultrafast optics, which is a field of nonlinear optics that gives access to a completely new class of phenomena like measurement of electron movements in an atom (attosecond phenomena), coherent broadband light generation (ultrabroad lasers) and thereby gives rise to many new applications in optical sensing (e. g. coherent laser radar, ultrahigh resolution optical coherence tomography), material processing and other fields like metrology (extremely exact frequency and time measurements).
Анықтамалар мен ескертулер
Д. Э. Спенс, П. Н. Кин және В. Сиббет, Опт. Летт. 16, 42 (1991). М. Пише, Опт. Коммун. 86, 156 (1991). Б. Проктор, Э. Вествиг және Ф. Уайз, Опт. Летт. 18, 1654 (1993). В. Магни, Г. Серулло және С. Де Сильвестри, Опт. Коммун. 101, 365 (1993).
D. E. Spence, P. N. Kean, and W. Sibbett, Opt. Lett. 16, 42(1991). M. Piche, Opt. Commun. 86, 156(1991). B. Proctor, E. Westwig, and F. Wise, Opt. Lett. 18, 1654(1993). V. Magni, G. Cerullo, and S. De Silvestri, Opt. Commun. 101, 365(1993).