Өте қысқа лазерлік импульстарды жасау жолы

Кіріспе

Өте қысқа лазерлік импульстарды жасау тәсілі

Режимдік құлыптау – оптикада лазердің өте қысқа мерзімді, пикосекундтық (10−12 с) немесе фемтосекундтық (10−15 с) деңгейіндегі жарық импульстарын жасауға мүмкіндік беретін техника. Осылай жұмыс істейтін лазер кейде, мысалы, қазіргі заманғы рефракциялық хирургияда фемтосекундтық лазер деп аталады. Бұл техниканың негізі – лазердің резонаторлық қуысының бойлық режимдері арасындағы белгілі бір фазалық қатынасты тудыру. Бұл режимдердің арасындағы конструктивтік интерференция лазер сәулесінің импульстар тізбегі түрінде шығуына әкелуі мүмкін. Лазер "фазалық құлыпталған" немесе "режимдік құлыпталған" деп айтылады.

Лазерлік қуыс режимдері

Лазерлік жарық жарықтың ең таза түрі болса да, ол бір ғана, таза жиілік немесе толқын ұзындығынан тұрмайды. Барлық лазерлер белгілі бір табиғи ендік жолақ немесе жиіліктер диапазонында жарық шығарады. Лазердің жұмыс істеу жолағының ені негізінен лазер құрастырылған пайда ортасымен анықталады, ал лазер жұмыс істей алатын жиіліктер диапазоны пайда жолағы деп аталады. Мысалы, әдеттегі гелий-неон лазерінің пайда жолағы шамамен 1,5 ГГц (орталық толқын ұзындығы 633 нм болатын шамамен 0,002 нм толқын ұзындығы диапазоны), ал титанмен легирленген сапфир (Ti:сапфир) қатты күйдегі лазердің шамамен 128 ТГц ендік жолағы бар (800 нм орталық толқын ұзындығында 300 нм толқын ұзындығы диапазоны). Лазердің сәуле шығару жиіліктерін анықтайтын екінші фактор – лазердің оптикалық қуысы (немесе резонанстық қуысы). Ең қарапайым жағдайда, бұл лазердің пайда ортасын қоршап тұрған екі жазық (жартылай) айнадан тұрады (бұл құрылым Фабри-Перо қуысы деп аталады). Жарық толқын болғандықтан, қуыс айналары арасында шағылысқанда, жарық өзін-өзі күшейтіп, әлсіздетеді, нәтижесінде айналар арасында тұрақты толқындар немесе режимдер пайда болады. Бұл тұрақты толқындар қуыстың бойлық режимдері деп аталатын жиіліктердің дискретті жиынтығын құрайды. Осы режимдер ғана жарықтың өзін-өзі қалпына келтіретін және резонанстық қуыс арқылы тербеліске мүмкіндік беретін жиіліктері болып табылады; жарықтың басқа барлық жиіліктері деструктивті интерференциямен басылады. Қарапайым жазық айна қуысы үшін рұқсат етілген режимдер – айналар арасындағы қашықтық L жарықтың толқын ұзындығы λ-ның жартысына тең болатын жағдайлар, яғни , мұнда q – режим реті деп аталатын бүтін сан. Іс жүзінде L әдетте λ-дан әлдеқайда үлкен болғандықтан, q-ның тиісті мәндері үлкен (шамамен 105–106). Көбірек қызығушылық тудыратыны – кез келген екі іргелес режимнің арасындағы жиілік айырмасы q және q + 1; бұл Δν арқылы беріледі (ұзындығы L бос сызықтық резонатор үшін): , мұнда c – жарық жылдамдығы (≈ 3 × 108 м/с). Жоғарыдағы теңдеуді пайдаланып, 30 см айна арақашықтығы бар кішкентай лазердің бойлық режимдер арасындағы жиілік айырмасы 0,5 ГГц-ге тең. Осылайша, жоғарыда аталған 30 см қуысы бар екі лазер үшін HeNe лазерінің 1,5 ГГц ендік жолағы 3 бойлық режимді қолдайды, ал Ti:сапфир лазерінің 128 ТГц ендік жолағы шамамен 250 000 режимді қолдай алады. Егер бірнеше бойлық режим қозған болса, лазер «көп режимді» жұмыс істеп тұр деп айтылады. Егер тек бір бойлық режим қозған болса, лазер «бір режимді» жұмыс істеп тұр деп айтылады. Әрбір жеке бойлық режимнің өзінің ендік жолағы немесе жиіліктердің тар диапазоны бар, бірақ әдетте бұл ендік жолақ, қуыстың Q факторымен анықталады (Фабри-Перо интерферометрін қараңыз), интермодалық жиілік айырмасынан әлдеқайда кішідірек.

Although laser light is perhaps the purest form of light, it is not of a single, pure frequency or wavelength. All lasers produce light over some natural bandwidth or range of frequencies. A laser's bandwidth of operation is determined primarily by the gain medium from which the laser is constructed, and the range of frequencies over which a laser may operate is known as the gain bandwidth. For example, a typical helium–neon laser has a gain bandwidth of about 1.5 GHz (a wavelength range of about 0.002 nm at a central wavelength of 633 nm), whereas a titanium doped sapphire (Ti:sapphire) solid state laser has a bandwidth of about 128 THz (a 300 nm wavelength range centered at 800 nm). The second factor to determine a laser's emission frequencies is the optical cavity (or resonant cavity) of the laser. In the simplest case, this consists of two plane (flat) mirrors facing each other, surrounding the gain medium of the laser (this arrangement is known as a Fabry–Pérot cavity). Since light is a wave, when bouncing between the mirrors of the cavity, the light constructively and destructively interferes with itself, leading to the formation of standing waves, or modes, between the mirrors. These standing waves form a discrete set of frequencies, known as the longitudinal modes of the cavity. These modes are the only frequencies of light that are self regenerating and allowed to oscillate by the resonant cavity; all other frequencies of light are suppressed by destructive interference. For a simple plane mirror cavity, the allowed modes are those for which the separation distance of the mirrors L is an exact multiple of half the wavelength of the light λ, such that , where q is an integer known as the mode order. In practice, L is usually much greater than λ, so the relevant values of q are large (around 105 to 106). Of more interest is the frequency separation between any two adjacent modes q and q + 1; this is given (for an empty linear resonator of length L) by Δν:

where c is the speed of light (≈ 3×108 m/s). Using the above equation, a small laser with a mirror separation of 30 cm has a frequency separation between longitudinal modes of 0.5 GHz. Thus for the two lasers referenced above, with a 30 cm cavity, the 1.5 GHz bandwidth of the HeNe laser would support up to 3 longitudinal modes, whereas the 128 THz bandwidth of the Ti:sapphire laser could support approximately 250,000 modes. When more than one longitudinal mode is excited, the laser is said to be in "multi mode" operation. When only one longitudinal mode is excited, the laser is said to be in "single mode" operation. Each individual longitudinal mode has some bandwidth or narrow range of frequencies over which it operates, but typically this bandwidth, determined by the Q factor of the cavity (see Fabry–Pérot interferometer), is much smaller than the intermode frequency separation.

Режимді бұғаттау теориясы

Қарапайым лазерде осы режимдердің әрқайсысы бір-бірімен тұрақты байланысы жоқ, тәуелсіз тербеледі, бір-біріне тәуелсіз лазерлер секілді, барлығы сәл әртүрлі жиіліктерде жарық шығарады. Әрбір режимдегі жарық толқынының жеке фазасы белгіленбеген және лазердің материалдарының жылулық өзгерістері сияқты факторларға байланысты кездейсоқ өзгеруі мүмкін. Аз ғана тербелістік режимдері бар лазерлерде режимдер арасындағы кедергілер лазерлік шығыста соққы әсерін туғызады, бұл интенсивтілік ауытқуларына әкеледі; мыңдаған режимдері бар лазерлерде бұл кедергілер әсерлері орташа шамамен тұрақты шығыс интенсивтілігіне теңеледі. Егер тәуелсіз тербеліс орнына әр режим өзі мен басқа режимдер арасындағы тұрақты фазамен жұмыс істесе, лазерлік шығыс мүлдем басқаша болады. Кездейсоқ немесе тұрақты шығу қарқындылығының орнына лазердің режимдері бір-біріне кезең-кезеңмен араласып, жарықтың қарқынды жарылуы немесе импульсін тудырады. Мұндай лазер "режимді құлыпталған" немесе "фазалық құлыпталған" деп аталады. Бұл импульстар уақыт бойынша лазердің режимдер арақашықтығына тең жиілікпен бөлінеді. Жарықтың әрбір импульсінің ұзақтығы фазада тербелетін режимдердің санына байланысты анықталады (нағыз лазерде лазердің барлық режимдері фазалық құлыпталған болуы міндетті емес). Егер Δν жиілікпен бөлінген N режим болса, жалпы режимді құлыпталған жолақтың ені NΔν болады, ал бұл жолақтың ені неғұрлым кең болса, лазерден импульстің ұзақтығы соғұрлым қысқа болады. Іс жүзінде импульстің нақты ұзақтығы әр импульстің пішінімен анықталады, ол өз кезегінде әрбір бойлық режимнің нақты амплитудасы мен фазалық қатынасымен анықталады. Мысалы, Гаусс уақыт пішінімен импульстерді шығаратын лазер үшін импульстің ең аз мүмкін ұзақтығы Δt келесідей беріледі. 0,441 мәні импульстің "уақыт-жолақтық көбейтіндісі" ретінде белгілі және импульс пішініне байланысты өзгереді. Ультрақысқа импульсті лазерлер үшін гиперболалық секант квадраты (sech2) импульс пішіні жиі қабылданады, бұл уақыт-жолақтың ені көбейтіндісі 0,315 береді. Осы теңдеуді пайдаланып, өлшенген лазерлік спектрлік енімен сәйкес келетін импульстің ең аз ұзақтығын есептеуге болады. 1,5 ГГц жолақтығы бар HeNe лазері үшін осы спектрлік енімен сәйкес келетін ең қысқа Гаусс импульсі шамамен 300 пикосекундты құрайды; 128 ТГц жолақтығы Ti: сапфир лазері үшін бұл спектрлік ені тек 3,4 фемтосекунд ұзақтықтағы импульске сәйкес келеді. Бұл мәндер лазердің жолақтығына сәйкес келетін ең қысқа мүмкін Гаусс импульстерін білдіреді; нақты режимді құлыпталған лазерде импульстің нақты ұзақтығы көптеген басқа факторларға, мысалы нақты импульс пішініне және қуыстың жалпы дисперсиясына байланысты. Кейінгі модуляция, қағидатта, осындай лазердің импульс енін одан әрі қысқартуы мүмкін; алайда, өлшенген спектрлік ен содан кейін сәйкесінше ұлғаяды.

In a simple laser, each of these modes oscillates independently, with no fixed relationship between each other, in essence like a set of independent lasers, all emitting light at slightly different frequencies. The individual phase of the light waves in each mode is not fixed and may vary randomly due to such things as thermal changes in materials of the laser. In lasers with only a few oscillating modes, interference between the modes can cause beating effects in the laser output, leading to fluctuations in intensity; in lasers with many thousands of modes, these interference effects tend to average to a near constant output intensity. If instead of oscillating independently, each mode operates with a fixed phase between it and the other modes, the laser output behaves quite differently. Instead of a random or constant output intensity, the modes of the laser will periodically all constructively interfere with one another, producing an intense burst or pulse of light. Such a laser is said to be "mode locked" or "phase locked". These pulses occur separated in time by , where τ is the time taken for the light to make exactly one round trip of the laser cavity. This time corresponds to a frequency exactly equal to the mode spacing of the laser,
The duration of each pulse of light is determined by the number of modes oscillating in phase (in a real laser, it is not necessarily true that all of the laser's modes are phase locked). If there are N modes locked with a frequency separation Δν, the overall mode locked bandwidth is NΔν, and the wider this bandwidth, the shorter the pulse duration from the laser. In practice, the actual pulse duration is determined by the shape of each pulse, which is in turn determined by the exact amplitude and phase relationship of each longitudinal mode. For example, for a laser producing pulses with a Gaussian temporal shape, the minimum possible pulse duration Δt is given by

The value 0.441 is known as the "time–bandwidth product" of the pulse and varies depending on the pulse shape. For ultrashort pulse lasers, a hyperbolic secant squared (sech2) pulse shape is often assumed, giving a time–bandwidth product of 0.315. Using this equation, the minimum pulse duration can be calculated consistent with the measured laser spectral width. For the HeNe laser with a 1.5 GHz bandwidth, the shortest Gaussian pulse consistent with this spectral width would be around 300 picoseconds; for the 128 THz bandwidth Ti:sapphire laser, this spectral width would correspond to a pulse of only 3.4 femtoseconds duration. These values represent the shortest possible Gaussian pulses consistent with the laser's bandwidth; in a real mode locked laser, the actual pulse duration depends on many other factors, such as the actual pulse shape and the overall dispersion of the cavity. Subsequent modulation could, in principle, shorten the pulse width of such a laser further; however, the measured spectral width would then be correspondingly increased.

Фазалық және режимдік бұғаттау принципі.

Жиілікті құлыптаудың көптеген тәсілдері бар, бірақ негізгі принцип бірдей – ол лазер жүйесінің кері байланыс циклына негізделген. Кері байланыс циклының бастапқы нүктесі – тұрақтандырылуы тиіс шама (жиілік немесе фаза). Жиіліктің уақыт өте қалай өзгеретінін тексеру үшін эталондық сигнал қажет. Лазер жиілігін өлшеудің ең көп қолданылатын тәсілдерінің бірі – оны оптикалық резонатордың геометриялық қасиеттерімен байланыстыру. Бұл мақсатта Фабри-Перо резонаторы ең көп қолданылады, ол белгілі бір арақашықтықта орналасқан екі параллель айнадан тұрады. Бұл әдіс жарық, бір рет айналып өту кезіндегі оптикалық жол ұзындығы жарық толқынының бүтін еселігіне тең болған жағдайда ғана резонансқа түсіп, беріле алады деген фактіге негізделген. Лазер жиілігінің осы шарттан ауытқуы берілу жиілігін төмендетеді. Берілу және жиілік ауытқуы арасындағы байланыс Лоренц функциясымен сипатталады, онда толық ені жартылай максимумдық сызық еніне тең.

мұнда – көршілес резонанстар арасындағы жиілік айырмасы (яғни, еркін спектрлік диапазон), ал – резонатордың сапа коэффициенті,

мұнда – айналардың шағылыстыру қабілеті. Теңдеуден көрініп тұрғанындай, резонатор сызығының енін кішкентай ету үшін айналардың шағылыстыру қабілеті жоғары болуы керек. Сондықтан лазердің сызық енін ең төменгі деңгейге дейін азайту үшін жоғары сапалы резонатор қажет.

Режимді бұғаттау әдістері

Лазерде режимді құлыптауды жасау әдістерін "белсенді" немесе "бейбелсенді" деп жіктеуге болады. Белсенді әдістер әдетте қуыс ішіндегі жарықтың модуляциясын тудыру үшін сыртқы сигналды пайдалануды қамтиды. Бейбелсенді әдістер сыртқы сигналды қолданбайды, бірақ лазер қуысына жарықтың өзін-өзі модуляциялауын тудыратын элемент орналастыруға негізделген.

Белсенді режімде бұғаттау

Ең көп таралған белсенді режимді құлыптау техникасы лазер қуысына тұрақты толқынды электро-оптикалық модуляторды орналастырады. Электр сигналымен қозғалғанда, ол қуыстағы жарықтың синусоидальды амплитудалық модуляциясын тудырады. Жиілік доменінде қарастырғанда, егер режимнің оптикалық жиілігі ν болса және амплитудасы f жиілігінде модуляцияланса, нәтижедегі сигнал ν − f және ν + f оптикалық жиіліктеріндегі қосымша толқындарға ие болады. Егер модулятор қуыс режимдері арасындағы аралық Δν жиілігімен қозғалса, онда бұл қосымша толқындар бастапқы режимге жақын екі қуыс режимге сәйкес келеді. Қосымша толқындар фазада қозғалғандықтан, орталық режим мен жақын режимдер бір-бірімен фазалық құлыптасады. Модулятордың қосымша толқындардағы одан әрі жұмысы ν − 2f және ν + 2f режимдерінің фазалық құлыпталуын тудырады, және күшейту жолағындағы барлық режимдер құлыпталып бітеді. Жоғарыда айтылғандай, әдеттегі лазерлер көп режимді болады және түбір режиммен тігізмейді. Сондықтан бірнеше режим қай фазаны пайдалану керектігін анықтауы керек. Пассивті қуыста, егер осы құлыптау қолданылса, бастапқы тәуелсіз фазалардың энтропиясын жоюға болмайды. Осы құлыптауды байланыс деп сипаттаған дұрыс, ол күрделі мінез-құлыққа және таза импульстарға емес, әкеледі. Бұл байланыс амплитудалық модуляцияның диссипативті табиғатына байланысты ғана диссипативті. Әйтпесе фазалық модуляция жұмыс істемейді. Бұл процесті уақыт доменінде де қарастыруға болады. Амплитудалық модулятор қуыстың айналары арасында шағылысатын жарыққа әлсіз "жалюзи" ретінде әрекет етеді, "жабық" болғанда жарықты әлсіретеді және "ашық" болғанда одан өтеді. Егер модуляция жылдамдығы f қуыс ішіндегі айналу уақыты τ-мен синхронды болса, онда жарықтың бір импульсі қуыста алға-артқа шағылысады. Модуляцияның күші үлкен болуы міндетті емес; "жабық" болғанда жарықтың 1% -ын әлсірететін модулятор лазерді құлыптай алады, себебі жарықтың сол бөлігі қуыстан өтетін әрбір ретте қайта-қайта әлсіретеді. Осы амплитудалық модуляцияға (AM) байланысты, белсенді режимді құлыптау жиілік модуляциясы (FM) режимін құлыптау болып табылады, ол акусто-оптикалық эффектіне негізделген модулятор құрылғысын қолданады. Лазерлік қуысқа орналастырылған және электр сигналымен қозғалған бұл құрылғы оны өтетін жарықтың синусоидальды өзгеретін жиілік ығысуын тудырады. Егер модуляция жиілігі қуыстың айналу уақытына сәйкес келсе, онда қуыстағы кейбір жарық жиіліктің қайталанатын жоғарылауын, ал кейбірі қайталанатын төмендеуін көреді. Көп рет қайталаудан кейін жоғары және төмен ығысқан жарық лазердің күшейту жолағынан шығарылады. Модулятордан өткенде әсер етпейтін жалғыз жарық - индуцирленген жиілік ығысуы нөлге тең болғанда, жарықтың тар импульсін құрайды. Белсенді режимді құлыптаудың үшінші әдісі - синхронды режимді құлыптау немесе синхронды сорғылау. Бұл жағдайда лазердің сорғы көзі (энергия көзі) өзі модуляцияланады, лазерді импульстарды жасау үшін тиімді түрде қосып және өшіреді. Әдетте, сорғы көзі өзі басқа режимде құлыпталған лазер болып табылады. Бұл техника сорғы лазері мен қозғалтқыш лазердің қуыс ұзындығын дәл сәйкестендіруді қажет етеді.

The most common active mode locking technique places a standing wave electro optic modulator into the laser cavity. When driven with an electrical signal, this produces a sinusoidal amplitude modulation of the light in the cavity. Considering this in the frequency domain, if a mode has optical frequency ν and is amplitude modulated at a frequency f, the resulting signal has sidebands at optical frequencies ν − f and ν + f. If the modulator is driven at the same frequency as the cavity mode spacing Δν, then these sidebands correspond to the two cavity modes adjacent to the original mode. Since the sidebands are driven in phase, the central mode and the adjacent modes will be phase locked together. Further operation of the modulator on the sidebands produces phase locking of the ν − 2f and ν + 2f modes, and so on until all modes in the gain bandwidth are locked. As said above, typical lasers are multi mode and not seeded by a root mode. So multiple modes need to work out which phase to use. In a passive cavity with this locking applied, there is no way to dump the entropy given by the original independent phases. This locking is better described as a coupling, leading to a complicated behavior and not clean pulses. The coupling is only dissipative because of the dissipative nature of the amplitude modulation. Otherwise, the phase modulation would not work. This process can also be considered in the time domain. The amplitude modulator acts as a weak "shutter" to the light bouncing between the mirrors of the cavity, attenuating the light when it is "closed" and letting it through when it is "open". If the modulation rate f is synchronised to the cavity round trip time τ, then a single pulse of light will bounce back and forth in the cavity. The actual strength of the modulation does not have to be large; a modulator that attenuates 1% of the light when "closed" will mode lock a laser, since the same part of the light is repeatedly attenuated as it traverses the cavity. Related to this amplitude modulation (AM), active mode locking is frequency modulation (FM) mode locking, which uses a modulator device based on the acousto optic effect. This device, when placed in a laser cavity and driven with an electrical signal, induces a small, sinusoidally varying frequency shift in the light passing through it. If the frequency of modulation is matched to the round trip time of the cavity, then some light in the cavity sees repeated upshifts in frequency, and some repeated downshifts. After many repetitions, the upshifted and downshifted light is swept out of the gain bandwidth of the laser. The only light unaffected is that which passes through the modulator when the induced frequency shift is zero, which forms a narrow pulse of light. The third method of active mode locking is synchronous mode locking, or synchronous pumping. In this, the pump source (energy source) for the laser is itself modulated, effectively turning the laser on and off to produce pulses. Typically, the pump source is itself another mode locked laser. This technique requires accurately matching the cavity lengths of the pump laser and the driven laser.

Пассивті режимді бұғаттау

Пассивті режимді құлыптау әдістері лазерден тыс сигналды (мысалы, модулятордың басқару сигналын) импульстарды жасау үшін қажет етпейді. Керісінше, олар қуыстағы жарықты қуыс ішіндегі кейбір элементтің өзгеруіне себеп болып, содан кейін ол элемент қуыс ішіндегі жарықты өзгертеді. Мұны жүзеге асыру үшін жиі қолданылатын құрылғы – қанықтырылатын абсорбер. Қанықтырылатын абсорбер – интенсивтікке тәуелді өткізуге ие оптикалық құрылғы, яғни құрылғы арқылы өтетін жарықтың интенсивтігіне байланысты әртүрлі жұмыс істейді. Пассивті режимді құлыптау үшін қанықтырылатын абсорбер төмен интенсивті жарықты таңдамалы түрде сіңіреді, бірақ жеткілікті жоғары интенсивті жарықты өткізеді. Лазер қуысына орналастырылған қанықтырылатын абсорбер төмен интенсивті тұрақты толқын жарығын (импульстің қанаттарын) әлсіретеді. Дегенмен, құлыпталмаған лазердегі интенсивтілік кездейсоқ өзгеретіндіктен, кез келген кездейсоқ, күшті импульс қанықтырылатын абсорбер арқылы басымдықпен өтеді. Қуыстағы жарық осцилляциялағанда, бұл процесс қайталанады, нәтижесінде жоғары интенсивті импульстардың селективті күшеюіне және төмен интенсивті жарықтың сіңірілуіне әкеледі. Көптеген айналымдардан кейін бұл импульстар тізбегіне және лазердің режимді құлыпталуына әкеледі. Бұл жиілік доменінде қарастырылса, егер режимдегі оптикалық жиілік ν болса және амплитудасы nf жиілігінде модуляцияланса, алынған сигнал ν − nf және ν + nf оптикалық жиіліктерінде қосымша жолақтарға ие болады. Бұл қысқа импульстар үшін әлдеқайда күшті режимді құлыптау мен тұрақтылықты қамтамасыз етеді, бірақ іске қосуда қиындықтар тудырады. Қанықтырылатын абсорберлер көбінесе сұйық органикалық бояулар болып табылады, бірақ оларды допингтелген кристалдардан және жартылай өткізгіштерден де жасауға болады. Жартылай өткізгіш абсорберлер өте жылдам жауап беру уақытына (~100 фс) ие, бұл пассивті режимде құлыпталған лазердегі импульстардың соңғы ұзақтығын анықтайтын факторлардың бірі. Сондай-ақ, интенсивтікке тәуелді сіңіруді тікелей көрсететін материалдарға сүйенбейтін пассивті режимді құлыптау схемалары бар. Бұл әдістерде қуыс ішіндегі компоненттердегі сызықтық емес оптикалық эффекттер қуыстағы жоғары интенсивті жарықты селективті күшейту және төмен интенсивті жарықты әлсірету үшін қолданылады. Ең табысты схемалардың бірі Керр линзасының режимді құлыптау (KLM) деп аталады, кейде оны «өздігінен құлыптау» деп те атайды. Бұл сызықтық емес оптикалық процесс, оптикалық Керр эффектісін пайдаланады, нәтижесінде жоғары интенсивті жарық төмен интенсивті жарықтан өзгеше фокусталады. Лазер қуысындағы апертураны мұқият орналастыру арқылы бұл эффектті өте жылдам жауап беру уақытына ие қанықтырылатын абсорберді жасау үшін пайдалануға болады.

Passive mode locking techniques are those that do not require a signal external to the laser (such as the driving signal of a modulator) to produce pulses. Rather, they use the light in the cavity to cause a change in some intracavity element, which will then itself produce a change in the intracavity light. A commonly used device to achieve this is a saturable absorber. A saturable absorber is an optical device that exhibits an intensity dependent transmission, meaning that the device behaves differently depending on the intensity of the light passing through it. For passive mode locking, ideally a saturable absorber selectively absorbs low intensity light, but transmits light of sufficiently high intensity. When placed in a laser cavity, a saturable absorber attenuates low intensity constant wave light (pulse wings). However, because of the somewhat random intensity fluctuations experienced by an un mode locked laser, any random, intense spike is transmitted preferentially by the saturable absorber. As the light in the cavity oscillates, this process repeats, leading to the selective amplification of the high intensity spikes and the absorption of the low intensity light. After many round trips, this leads to a train of pulses and mode locking of the laser. Considering this in the frequency domain, if a mode has optical frequency ν and is amplitude modulated at a frequency nf, the resulting signal has sidebands at optical frequencies ν − nf and ν + nf and enables much stronger mode locking for shorter pulses and more stability than active mode locking, but has startup problems. Saturable absorbers are commonly liquid organic dyes, but they can also be made from doped crystals and semiconductors. Semiconductor absorbers tend to exhibit very fast response times (~100 fs), which is one of the factors that determines the final duration of the pulses in a passively mode locked laser. In a colliding pulse mode locked laser the absorber steepens the leading edge, while the lasing medium steepens the trailing edge of the pulse. There are also passive mode locking schemes that do not rely on materials that directly display an intensity dependent absorption. In these methods, nonlinear optical effects in intracavity components are used to provide a method of selectively amplifying high intensity light in the cavity and attenuation of low intensity light. One of the most successful schemes is called Kerr lens mode locking (KLM), also sometimes called "self mode locking". This uses a nonlinear optical process, the optical Kerr effect, which results in high intensity light being focussed differently from low intensity light. By careful arrangement of an aperture in the laser cavity, this effect can be exploited to produce the equivalent of an ultra fast response time saturable absorber.

Гибридті модельдер

Кейбір жартылай өткізгіш лазерлерде жоғарыда аталған екі техниканың үйлесімі қолданылуы мүмкін. Қанығуға бейім абсорбері бар лазерді пайдаланып, лазердің құлыпталған жиілігімен бірдей жиілікте электрлік инъекцияны модуляциялау арқылы лазерді электрлік инъекциямен тұрақтандыруға болады. Бұл лазердің фазалық шуын тұрақтандыруға мүмкіндік береді және лазерден шығатын импульстардың уақыт шағылысуын азайтуға көмектеседі.

Қалдық қуыс өрістерінің режімін бұғаттау

Наносымды лазерлерден келесі лазерлік импульстар арасындағы сабанды фазалық ақпараттың берілуі де байқалды. Бұл жерде фазалық ақпарат, қуыстағы сабанды Раби тербелістерінің қалдық фотондық өрісінде сақталады. Мұндай жағдайлар, чип өлшемді фотондық тізбектерге және чиптегі Рамзи тарағы спектроскопиясы сияқты қолданыстарға интеграцияланған жарық көздерін фазалық синхрондауға мүмкіндік береді.

Фурье доменінің режимін бұғаттау

Фурье доменіндегі режимді құлыптау (FDML) – үздіксіз толқынды, толқын ұзындығы өзгеретін жарық шығаратын лазерлік режимді құлыптау техникасы. FDML лазерлерінің басты қолданылуы оптикалық когерентті томография болып табылады.

Режимді бұғатталған практикалық лазерлер

Іс жүзінде, режимді құлыпталған лазердің өнімділігіне бірнеше конструкциялық факторлар әсер етеді. Ең маңыздылары – лазердің оптикалық резонаторының жалпы дисперсиясы, оны призмалық компрессор немесе қуысқа орналастырылған дисперсиялық айналармен, сондай-ақ оптикалық емес сызықтылықтар арқылы басқаруға болады. Лазерлік қуыстың артық мөлшердегі таза топтық кешігу дисперсиясы (GDD) болған жағдайда, қуыс режимдерінің фазасын кең жолақтықта құлыптау мүмкін болмайды және өте қысқа импульстар алу қиынға түседі. Керр емес сызықтылығымен теріс (аномальды) таза GDD-нің қолайлы үйлесімі, солитон тәрізді өзара әрекеттесулер режимді құлыптауды тұрақтандырып, қысқа импульстар жасауға көмектеседі. Импульстің ең қысқа ұзақтығы әдетте нөлдік дисперсияда (емес сызықтылықтарсыз) немесе сәл теріс (аномальды) дисперсияда (солитондық механизмді пайдалану арқылы) қол жеткізіледі. Тікелей жасалатын ең қысқа оптикалық импульстер әдетте Керр линзасымен режимді құлыпталған титан сапфир лазерлерімен жасалады және шамамен 5 фемтосекундқа созылады. Дегенмен, импульстің ең аз ұзақтығы тасымалдаушы жиіліктің периодымен шектеледі (титан:сапфир жүйелері үшін шамамен 2,7 фс), сондықтан қысқа импульстар алу үшін қысқа толқынды ұзындықтарға көшу қажет. Кейбір жетілдірілген техникалар (күшейтілген фемтосекундтық лазерлік импульстермен жоғары гармоникалық генерацияны қамтиды) өте ультракөк сәуле спектрлік аймақта (яғни <30 нм) 100 аттосекундқа дейінгі ұзақтықты оптикалық ерекшеліктерді жасау үшін қолданылуы мүмкін. Лазерлік қолданыстар үшін маңызды басқа жетістіктер лазерлік диодтармен қоздырылатын, субпикосекундтық импульстерде өте жоғары орташа шығыс қуатын (ондаған ватт) немесе көптеген ГГц өте жоғары қайталану жиілігімен импульстік тізбектерді жасауға қабілетті режимді құлыпталған лазерлерді әзірлеуге қатысты. Импульстің ұзақтығы шамамен 100 фс-тен аз болса, оны оптоэлектрондық әдістерді (мысалы, фотодиодтарды) қолдану арқылы тікелей өлшеу мүмкін емес, сондықтан автокорреляция, жиілікпен шешілетін оптикалық қақпа, тікелей электр өрісін қалпына келтіру үшін спектрлік фазалық интерферометрия немесе көп фотонды импульстік кедергі фазалық сканилеу сияқты жанама әдістер қолданылады.

In practice, a number of design considerations affect the performance of a mode locked laser. The most important are the overall dispersion of the laser's optical resonator, which can be controlled with a prism compressor or some dispersive mirrors placed in the cavity, and optical nonlinearities. For excessive net group delay dispersion (GDD) of the laser cavity, the phase of the cavity modes can not be locked over a large bandwidth, and it will be difficult to obtain very short pulses. For a suitable combination of negative (anomalous) net GDD with the Kerr nonlinearity, soliton like interactions may stabilize the mode locking and help to generate shorter pulses. The shortest possible pulse duration is usually accomplished either for zero dispersion (without nonlinearities) or for some slightly negative (anomalous) dispersion (exploiting the soliton mechanism). The shortest directly produced optical pulses are generally produced by Kerr lens mode locked Ti sapphire lasers and are around 5 femtoseconds long. Alternatively, amplified pulses of a similar duration are created through the compression of longer (e. g. 30 fs) pulses by self phase modulation in a hollow core fibre or during filamentation. However, the minimum pulse duration is limited by the period of the carrier frequency (which is about 2.7 fs for Ti:sapphire systems), therefore shorter pulses require moving to shorter wavelengths. Some advanced techniques (involving high harmonic generation with amplified femtosecond laser pulses) can be used to produce optical features with durations as short as 100 attoseconds in the extreme ultraviolet spectral region (i. e. <30 nm). Other achievements, important particularly for laser applications, concern the development of mode locked lasers that can be pumped with laser diodes, can generate very high average output powers (tens of watts) in sub picosecond pulses, or generate pulse trains with extremely high repetition rates of many GHz. Pulse durations less than approximately 100 fs are too short to be directly measured using optoelectronic techniques (i. e. photodiodes), and so indirect methods, such as autocorrelation, frequency resolved optical gating, spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction or multiphoton intrapulse interference phase scan are used.

Қолданбалар

Ядролық синтез (инерциялық шектеу синтезі). Сызықтық емес оптика, мысалы, екінші гармоникалық генерация, параметрлік төмендету, оптикалық параметрлік осцилляторлар және терагерц сәулеленуін генерациялау. Оптикалық деректерді сақтау лазерлерді пайдаланады, ал 3D оптикалық деректерді сақтаудың дамып келе жатқан технологиясы көбінесе сызықтық емес фотохимияға сүйенеді. Осы себепті көптеген мысалдар режимді құлыпталған лазерлерді қолданады, себебі олар ультрақысқа импульстердің өте жоғары қайталану жиілігін қамтамасыз ете алады. Фемтосекундтық лазерлік наномашина жасау – қысқа импульстер көптеген материалдарды наномашиналау үшін қолданылуы мүмкін. Пико және фемтосекундтық микроөңдеудің мысалы – қаламсап принтерлерінің кремнийлік сопло бетін бұрғылау. Екі фотондық микроскопия. Көрнеу хирургиясы (рефракциялық хирургияны қараңыз). Фемтосекундтық лазерлер мүйіз қабығында көпіршіктер жасау үшін қолданылады. Мүйіз қабығында кесу жасау үшін микрокератомды алмастыратын көпіршіктер тізбегін қолдануға болады, мысалы, LASIK хирургиясында қақпақ жасау үшін (бұл кейде Интралазик немесе толық лазерлік хирургия деп аталады). Сондай-ақ, мүйіз қабығының тінін алып тастау үшін бірнеше қабатта көпіршіктер жасалуы мүмкін (кіші кесінді линзикулалық экстракция деп аталатын процедура). Металдардың бетін терең қара түске бояйтын лазерлік техника әзірленген. Фемтосекундтық лазерлік импульс металдың бетін деформациялап, наноқұрылымдарды қалыптастырады. Беттік ауданы едәуір артқандықтан, ол түскен жарықтың барлығын дерлік сіңіріп алып, оны терең қара түске бояйды. Бұл қара алтынның бір түрі. Фотоникалық дискретизация, электрондық сағаттарға қарағанда лазерлердің жоғары дәлдігін пайдаланып электрондық АЦҚ-дағы дискретизация қатесін азайту.

Лазерлік қуыстың бұғаттау механизмі

Монохроматикалық жарық – лазердің қасиеті, ол лазердің негізгі жұмыс принципіне байланысты, және жиілікті таңдау элементтерін қамтиды. Мысалы, диодты лазерде сыртқы айна резонаторы және дифракциялық тор осы элементтер болып табылады. Осы элементтердің көмегімен жиілікті таңдау нәтижесінде өте тар спектрлі жарық шығарылады. Дегенмен, жақыннан қарағанда, әртүрлі уақыт өлшемдерінде жиіліктердің ауытқулары байқалады. Олардың пайда болуына түрлі себептер болуы мүмкін, мысалы, кіріс кернеуіндегі өзгерістер, акустикалық дірілдер немесе қоршаған ортаның қысымы мен температурасының өзгеруі. Сондықтан, осы жиілік ауытқуларын азайту үшін лазердің фазасын немесе жиілігін сыртқы факторға сәйкес тұрақтандыру қажет. Кез келген сыртқы көз немесе сыртқы анықтаманы пайдалану арқылы лазердің қасиетін тұрақтандыруды әдетте «лазерлік құлыптау» немесе жай ғана «құлыптау» деп атайды.

Қате сигналын беру

Қате сигналдарын жасау себебі – лазердің белгілі бір жиіліктен немесе фазадан ауытқуына пропорционал электрондық сигнал жасау, бұл сигнал «құлыптау нүктесі» деп аталады. Лазер жиілігі жоғары болса, сигнал оң, ал жиілігі өте төмен болса, сигнал теріс болады. Сигналдың нөлге тең болатын нүкте құлыптау нүктесі деп аталады. Жиілікке тәуелді қате сигналына негізделген лазер құлыптау жиілік құлыптау деп, ал егер қате сигналы лазердің фазалық ауытқуына байланысты болса, фазалық құлыптау деп аталады. Сигнал жиілік стандарты сияқты анықтамаларды қолданатын оптикалық жүйе арқылы жасалса, анықтаманы пайдаланып оптикалық сигнал тікелей анықталатын жоғары жиіліктерге түрлендіріледі. Басқа тәсіл – сигналды фотодиод немесе камера арқылы жазып алып, одан әрі электрондық жолмен өзгерту.