Модуляционная блокировка лазера с использованием эффекта Керра

Введение

Метод блокировки лазерного режима

Блокировка лазерного режима с помощью эффекта Керра (KLM) – это метод блокировки лазеров посредством нелинейного оптического эффекта Керра. Этот метод позволяет генерировать световые импульсы длительностью всего несколько фемтосекунд. Оптический эффект Керра – это процесс, возникающий в результате нелинейного отклика оптической среды на электрическое поле электромагнитной волны. Показатель преломления среды зависит от напряженности поля. Из-за неравномерного распределения плотности мощности в гауссовом пучке (как в лазерных резонаторах) показатель преломления изменяется по профилю пучка; показатель преломления, испытываемый пучком, больше в центре пучка, чем на краю. Таким образом, стержень из активной среды Керра функционирует как линза для света высокой интенсивности. Это называется самофокусировкой, и в крайних случаях приводит к разрушению материала. В лазерной полости короткие вспышки света фокусируются иначе, чем непрерывные волны. Чтобы предпочтительному импульсному режиму, полость можно сделать нестабильной для непрерывной волны, но чаще низкая стабильность является побочным продуктом конструкции полости, акцентирующей апертурные эффекты. В более ранних конструкциях использовалась жесткая апертура, которая просто отсекает пучок, в то время как в современных конструкциях используется мягкая апертура, подразумевающая перекрытие между областью накачки активной среды и импульсом. В то время как эффект линзы на свободный лазерный пучок очевиден, внутри резонатора весь пучок стремится адаптироваться к этому изменению. Стандартный резонатор с плоскими зеркалами и тепловой линзой в лазерном кристалле имеет минимальную ширину пучка на выходных зеркалах. С добавлением линзы Керра ширина пучка на выходном зеркале становится еще меньше. Следовательно, небольшие выходные зеркала (жесткая апертура) благоприятствуют импульсам. В Ti:Sapphire осцилляторах телескопы устанавливаются вокруг кристалла для увеличения интенсивности. Для мягкой апертуры рассмотрим бесконечный лазерный кристалл с тепловой линзой. Лазерный пучок направляется подобно распространению в оптическом волокне. С добавлением линзы Керра ширина пучка уменьшается. В реальном лазере кристалл имеет конечные размеры. Резонатор с обеих сторон оснащен вогнутым зеркалом, за которым следует относительно длинный путь к плоскому зеркалу. Непрерывная волна света выходит из торца кристалла с большей шириной пучка и небольшой дивергенцией. Она освещает меньшую область на вогнутом зеркале, что приводит к небольшой ширине пучка на пути к плоскому зеркалу. Таким образом, дифракция усиливается. Из-за дивергенции свет эффективно исходит из более удаленной точки, что приводит к большей конвергенции после вогнутого зеркала. Эта конвергенция уравновешивается дифракцией. Импульсный свет выходит из торца кристалла с меньшей шириной пучка и без дивергенции. Таким образом, он освещает большую область на вогнутом зеркале и после этого менее конвергентен. Таким образом, как фронты непрерывных волн, так и импульсные фронты отражаются обратно на себя. Резонатор, близкий к конфокальному, означает близость к нестабильности, что означает, что диаметр пучка чувствителен к изменениям резонатора. Это усиливает модуляцию. Слегка асимметричный резонатор, удлиняющий полость, усиливает дифракцию и даже делает ее нестабильной для непрерывной волны, оставаясь стабильной для импульсной работы. Длина среды, используемой для KLM, ограничена групповой скоростной дисперсией. KLM используется в управлении смещением огибающей несущей.

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.

Запуск лазера с моделью Kerr-lens

Начало моделирования с помощью линз Керра зависит от величины нелинейного эффекта. Если лазерное поле нарастает в резонаторе, лазер должен преодолеть область непрерывного режима, которая часто предпочтительна для механизма накачки. Этого можно достичь за счет очень сильного эффекта линзирования Керра, достаточно сильного для инициирования моделирования при небольших изменениях силы лазерного поля (нарастание лазерного поля или случайные флуктуации). Моделирование также может быть запущено путем смещения оптимального фокуса от непрерывного режима к импульсному, изменяя плотность мощности посредством небольшого смещения выходного зеркала резонатора (хотя пьезоэлектрически управляемое, синхронно осциллирующее выходное зеркало было бы более удобным в использовании). Другие принципы основаны на различных нелинейных эффектах, таких как насыщаемые поглотители и насыщаемые рефлекторы Брэгга, которые генерируют импульсы, достаточно короткие для запуска процесса линзирования Керра.

Модельное замыкание эволюция импульса

Изменения интенсивности, происходящие за время в наносекунды, усиливаются за счет эффекта линзирования Керра, а длительность импульса дополнительно уменьшается для достижения более высокой напряженности поля в его центре. Этот процесс укорочения ограничен лишь шириной полосы пропускания, определяемой лазерным материалом и зеркалами резонатора, а также дисперсией резонатора. Наикоротший импульс, достижимый для заданного спектра, называется импульсом, ограниченным по ширине полосы. Технология зеркал с управляемой дисперсией позволяет компенсировать временное расхождение различных длин волн внутри резонатора, вызванное материальной дисперсией, при этом сохраняя высокую стабильность и низкие потери. Эффект Керра одновременно приводит к формированию ке́рровской линзы и самомодуляции фазы. В первом приближении их можно рассматривать как независимые явления.

Приложения

Поскольку Kerr-модель-модуляция является эффектом, напрямую реагирующим на электрическое поле, время отклика достаточно быстрое для генерации световых импульсов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длительностью менее 5 фемтосекунд. Благодаря высокой напряженности электрического поля, сфокусированные ультракороткие лазерные лучи могут превысить порог в 10¹⁴ Вт/см², что больше напряженности поля электронно-ионной связи в атомах. Эти короткие импульсы открывают новую область сверхбыстрой оптики, являющуюся разделом нелинейной оптики, предоставляющим доступ к совершенно новому классу явлений, таких как измерение движения электронов в атоме (аттосекундные явления), когерентная генерация широкополосного излучения (ультраширокополосные лазеры) и, тем самым, порождающим множество новых применений в оптическом зондировании (например, когерентный лазерный радар, оптическая когерентная томография сверхвысокого разрешения), обработке материалов и других областях, таких как метрология (сверхточные измерения частоты и времени).

Ссылки и примечания

Д. Э. Спенс, П. Н. Кин и У. Сиббет, Opt. Lett. 16, 42 (1991). М. Пише, Opt. Commun. 86, 156 (1991). Б. Проктор, Э. Вествиг и Ф. Уайз, Opt. Lett. 18, 1654 (1993). В. Магни, Г. Серулло и С. Де Сильвестри, Opt. Commun. 101, 365 (1993).