Метод создания сверхкоротких лазерных импульсов.

Введение

Способ получения очень коротких лазерных импульсов

Локировка мод – это метод в оптике, позволяющий лазеру генерировать световые импульсы чрезвычайно короткой длительности, порядка пикосекунд (10−12 с) или фемтосекунд (10−15 с). Лазер, работающий в этом режиме, иногда называют фемтосекундным лазером, например, в современной рефракционной хирургии. В основе метода лежит создание фиксированного фазового соотношения между продольными модами резонансной полости лазера. Конструктивная интерференция между этими модами приводит к генерации лазерного излучения в виде последовательности импульсов. В этом случае говорят, что лазер "фазово заблокирован" или "заблокирован по модам".

Режимы лазерной полости

Хотя лазерный свет, возможно, является самой чистой формой света, он не состоит из одной чистой частоты или длины волны. Все лазеры генерируют свет в некотором естественном диапазоне частот или полосе пропускания. Полоса пропускания лазера определяется главным образом активной средой, из которой он изготовлен, а диапазон частот, в котором лазер может работать, известен как ширина полосы усиления. Например, типичный гелий-неоновый лазер имеет ширину полосы усиления около 1,5 ГГц (диапазон длин волн около 0,002 нм при центральной длине волны 633 нм), в то время как титан-сапфировый (Ti:сапфировый) твердотельный лазер имеет полосу пропускания около 128 ТГц (диапазон длин волн 300 нм, центрированный на 800 нм). Вторым фактором, определяющим частоты излучения лазера, является оптическая полость (или резонансная полость) лазера. В простейшем случае она состоит из двух плоских (плоскопараллельных) зеркал, обращенных друг к другу и окружающих активную среду лазера (такая конструкция известна как полость Фабри-Перо). Поскольку свет является волной, при отражении между зеркалами полости он интерферирует сам с собой конструктивно и деструктивно, что приводит к образованию стоячих волн, или мод, между зеркалами. Эти стоячие волны формируют дискретный набор частот, известных как продольные моды полости. Эти моды – единственные частоты света, которые способны к самовоспроизведению и поддерживаются колебаниями резонансной полостью; все остальные частоты света подавляются деструктивной интерференцией. Для простой плоской зеркальной полости допустимыми являются те моды, для которых расстояние между зеркалами L является точным кратным половине длины волны света λ, то есть , где q – целое число, известное как порядок моды. На практике L обычно намного больше λ, поэтому соответствующие значения q велики (около 10⁵–10⁶). Более важным является частотное разделение между любыми двумя соседними модами q и q + 1; оно определяется (для пустого линейного резонатора длиной L) как Δν: где c – скорость света (≈ 3 × 10⁸ м/с). 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 упомянутых выше лазеров с полостью 30 см полоса пропускания 1,5 ГГц лазера HeNe поддерживает до 3 продольных мод, в то время как полоса пропускания 128 ТГц лазера Ti:сапфира может поддерживать приблизительно 250 000 мод. Когда возбуждено более одной продольной моды, говорят, что лазер работает в "многомодовом" режиме. Когда возбуждена только одна продольная мода, говорят, что лазер работает в "одномодовом" режиме. Каждая отдельная продольная мода имеет свою полосу пропускания или узкий диапазон частот, в котором она работает, но обычно эта полоса пропускания, определяемая доброкачественностью (Q-фактором) полости (см. Интерферометр Фабри-Перо), намного меньше, чем частотное разделение между модами.

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.

Теория блокировки режима

В простом лазере каждый из этих режимов колеблется независимо, без фиксированной связи между собой, по сути, как набор независимых лазеров, все излучающих свет на немного отличающихся частотах. Индивидуальная фаза световых волн в каждом режиме не фиксирована и может изменяться случайным образом из-за таких факторов, как термические изменения в материалах лазера. В лазерах с небольшим числом осциллирующих режимов интерференция между режимами может вызывать эффект биений в выходном излучении лазера, приводя к флуктуациям интенсивности; в лазерах с тысячами режимов эти интерференционные эффекты стремятся к усреднению, давая почти постоянную выходную интенсивность. Если же каждый режим работает с фиксированной фазой относительно других режимов, вместо независимых колебаний, выходное излучение лазера ведет себя совершенно иначе. Вместо случайной или постоянной интенсивности, режимы лазера периодически будут конструктивно интерферировать друг с другом, создавая интенсивный всплеск или импульс света. Такой лазер называют "с блокировкой мод" или "с фазовой блокировкой". Эти импульсы возникают, разделенные во времени на τ, где τ – время, необходимое свету для совершения одного полного оборота в резонаторе лазера. Это время соответствует частоте, равной расстоянию между модами лазера. Продолжительность каждого светового импульса определяется числом режимов, колеблющихся в фазе (в реальном лазере не обязательно все режимы лазера находятся в состоянии фазовой блокировки). Если N режимов заблокированы с разностью частот Δν, общая полоса пропускания при блокировке мод равна NΔν, и чем шире эта полоса, тем короче длительность импульса, генерируемого лазером. На практике фактическая длительность импульса определяется формой каждого импульса, которая, в свою очередь, определяется точной амплитудой и фазовой зависимостью каждого продольного режима. Например, для лазера, генерирующего импульсы с гауссовой временной формой, минимальная возможная длительность импульса Δt определяется выражением 0,441, известным как "произведение времени на ширину полосы" импульса и зависящим от формы импульса. Для ультракороткоимпульсных лазеров часто предполагается форма импульса в виде гиперболического секанса в квадрате (sech2), что дает произведение времени на ширину полосы равным 0,315. Используя это уравнение, можно рассчитать минимальную длительность импульса, согласующуюся с измеренной спектральной шириной лазера. Для HeNe лазера с полосой пропускания 1,5 ГГц, самый короткий гауссов импульс, соответствующий этой спектральной ширине, составит около 300 пикосекунд; для Ti:сапфирового лазера с полосой пропускания 128 ТГц эта спектральная ширина будет соответствовать импульсу длительностью всего 3,4 фемтосекунды. Эти значения представляют собой самые короткие возможные гауссовы импульсы, соответствующие полосе пропускания лазера; в реальном лазере с блокировкой мод фактическая длительность импульса зависит от многих других факторов, таких как фактическая форма импульса и общая дисперсия резонатора. Последующая модуляция, в принципе, может еще больше сократить ширину импульса такого лазера; однако измеренная спектральная ширина при этом соответственно увеличится.

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.

Принцип фазовой и режимовой блокировки.

Есть много способов стабилизации частоты, но основной принцип остается тем же и основан на контуре обратной связи лазерной системы. Начальной точкой контура обратной связи является величина, которую необходимо стабилизировать (частота или фаза). Для проверки изменения частоты во времени необходима опорная точка. Распространенный способ измерения частоты лазера – связать ее с геометрическим свойством оптического резонатора. Для этой цели наиболее часто используется резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух параллельных зеркал, разделенных определенным расстоянием. Этот метод основан на том, что свет может резонировать и эффективно проходить только в том случае, если длина оптического пути за один полный оборот является целым числом длин волн света. Отклонение частоты лазера от этого условия приводит к уменьшению коэффициента пропускания. Зависимость между коэффициентом пропускания и отклонением частоты описывается функцией Лоренца с полушириной на уровне максимального значения:

где – разность частот между соседними резонансами (т.е. свободный спектральный диапазон), а – добротность резонатора,

где – коэффициент отражения зеркал. Как видно из уравнения, для достижения малой ширины линии резонатора необходимо использовать зеркала с высоким коэффициентом отражения. Следовательно, для минимизации ширины линии лазера требуется резонатор с высокой добротностью.

Методы блокировки режима

Методы получения блокировки мод в лазере можно классифицировать как "активные" или "пассивные". Активные методы обычно включают использование внешнего сигнала для создания модуляции света внутри резонатора. Пассивные методы не используют внешний сигнал, а основаны на введении в резонатор лазера элемента, вызывающего самомодуляцию света.

Замкнутость в активном режиме

Наиболее распространенная техника активной модуляции режима помещает электрооптический модулятор стоячей волны в резонатор лазера. При воздействии электрического сигнала это создает синусоидальную амплитудную модуляцию света в резонаторе. Рассматривая это в частотной области, если режим имеет оптическую частоту ν и подвергается амплитудной модуляции с частотой f, результирующий сигнал имеет боковые полосы на оптических частотах ν − f и ν + f. Если модулятор управляется с частотой, равной расстройке между модами резонатора Δν, то эти боковые полосы соответствуют двум модам резонатора, соседним с исходным. Поскольку боковые полосы управляются синфазно, центральный режим и соседние режимы оказываются фазово согласованы. Дальнейшее воздействие модулятора на боковые полосы приводит к фазовой блокировке режимов ν − 2f и ν + 2f и так далее, пока все режимы в полосе усиления не будут заблокированы. Как уже отмечалось, типичные лазеры являются многомодовыми и не возбуждаются основной модой. Поэтому множеству мод необходимо определить, какую фазу использовать. В пассивном резонаторе, при применении такой блокировки, нет возможности рассеять энтропию, обусловленную исходными независимыми фазами. Эта блокировка точнее описывается как когерентное взаимодействие, приводящее к сложному поведению и не к формированию чистых импульсов. Когерентное взаимодействие является диссипативным только благодаря диссипативной природе амплитудной модуляции. В противном случае фазовая модуляция не будет работать. Этот процесс также можно рассмотреть во временной области. Амплитудный модулятор действует как слабая "затвор" для света, отражающегося между зеркалами резонатора, ослабляя свет в "закрытом" состоянии и пропуская его в "открытом". Если частота модуляции f синхронизирована со временем пролетания в резонаторе τ, то одиночный световой импульс будет многократно отражаться в резонаторе. Фактическая глубина модуляции не обязательно должна быть большой; модулятор, ослабляющий 1% света в "закрытом" состоянии, способен обеспечить модуляцию режима лазера, поскольку одна и та же часть света многократно ослабляется при каждом прохождении через резонатор. В связи с этой амплитудной модуляцией (AM), активная модуляция режима связана с частотной модуляцией (FM), которая использует модулятор, основанный на акустооптическом эффекте. Это устройство, помещенное в резонатор лазера и управляемое электрическим сигналом, индуцирует небольшое, синусоидально изменяющееся смещение частоты проходящего через него света. Если частота модуляции соответствует времени пролетания в резонаторе, то часть света в резонаторе испытывает многократные сдвиги частоты вверх, а другая часть – вниз. После множества повторений свет, сдвинутый по частоте вверх и вниз, выводится за пределы полосы усиления лазера. Единственный свет, который остается неизменным, проходит через модулятор, когда индуцированное смещение частоты равно нулю, формируя узкий световой импульс. Третий метод активной модуляции режима – синхронная модуляция режима, или синхронное возбуждение. В этом случае сам источник возбуждения (источник энергии) для лазера модулируется, эффективно включая и выключая лазер для генерации импульсов. Обычно в качестве источника возбуждения используется другой модулированный лазер. Эта техника требует точного согласования длин резонаторов лазера-возбудителя и лазера, подвергающегося модуляции.

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.

Закрытие в пассивном режиме

Техники пассивной модуляции режима – это техники, которые не требуют внешнего сигнала для лазера (например, управляющего сигнала модулятора) для генерации импульсов. Вместо этого они используют свет в резонаторе для вызова изменения в некотором внутрирезонаторном элементе, который, в свою очередь, вызывает изменение внутрирезонаторного света. Обычно используемым устройством для достижения этого является насыщаемый поглотитель. Насыщаемый поглотитель – это оптическое устройство, демонстрирующее зависимость пропускания от интенсивности, то есть устройство ведет себя по-разному в зависимости от интенсивности проходящего через него света. Для пассивной модуляции режима в идеале насыщаемый поглотитель избирательно поглощает свет низкой интенсивности, но пропускает свет достаточной высокой интенсивности. При размещении в лазерном резонаторе насыщаемый поглотитель ослабляет свет постоянной волны низкой интенсивности (крылья импульса). Однако, из-за некоторой случайности колебаний интенсивности, испытываемых лазером без модуляции режима, любой случайный интенсивный пик преимущественно пропускается через насыщаемый поглотитель. По мере колебания света в резонаторе этот процесс повторяется, приводя к селективному усилению пиков высокой интенсивности и поглощению света низкой интенсивности. После множества циклов прохождения света это приводит к генерации последовательности импульсов и модуляции режима лазера. Рассматривая это в частотной области, если у моды оптическая частота ν и она амплитудно модулирована на частоте nf, результирующий сигнал имеет боковые полосы на оптических частотах ν − nf и ν + nf, что обеспечивает значительно более сильную модуляцию режима для более коротких импульсов и большей стабильности, чем активная модуляция режима, но имеет проблемы с запуском. Насыщаемые поглотители обычно представляют собой жидкие органические красители, но они также могут быть изготовлены из легированных кристаллов и полупроводников. Полупроводниковые поглотители, как правило, демонстрируют очень быстрое время отклика (~100 фс), что является одним из факторов, определяющих окончательную длительность импульсов в лазере с пассивной модуляцией режима. В лазере с модуляцией режима столкновения импульсов поглотитель круто увеличивает передний фронт, в то время как лазерная среда круто увеличивает задний фронт импульса. Существуют также схемы пассивной модуляции режима, которые не полагаются на материалы, непосредственно демонстрирующие зависимость поглощения от интенсивности. В этих методах нелинейные оптические эффекты во внутрирезонаторных компонентах используются для обеспечения метода селективного усиления света высокой интенсивности в резонаторе и ослабления света низкой интенсивности. Одной из наиболее успешных схем является модуляция режима с помощью линзы Керра (KLM), также иногда называемая "самомодуляцией режима". Она использует нелинейный оптический процесс, оптический эффект Керра, в результате которого свет высокой интенсивности фокусируется иначе, чем свет низкой интенсивности. При тщательной настройке апертуры в лазерном резонаторе этот эффект может быть использован для создания эквивалента сверхбыстрого времени отклика насыщаемого поглотителя.

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.

Гибридный мод

В некоторых полупроводниковых лазерах можно использовать комбинацию обеих вышеописанных техник. Используя лазер с насыщаемым поглотителем и модулируя электрический накачку на той же частоте, на которой лазер зафиксирован, можно стабилизировать лазер с помощью электрической накачки. Это позволяет стабилизировать фазовый шум лазера и уменьшить джиттер длительности импульсов, генерируемых лазером.

Закрытие режима по остаточным полевым полостям

Когерентная передача фазовой информации между последовательными лазерными импульсами также наблюдалась в нанопроволочных лазерах. В данном случае фазовая информация сохранялась в остаточном фотонном поле когерентных колебаний Раби в резонаторе. Эти результаты открывают возможности для фазовой синхронизации источников света, интегрированных в фотонные схемы и приложения чипового масштаба, такие как спектроскопия Рамзи на чипе.

Закрытие режима домена Фурье

Блокировка режима в частотной области (FDML) — это метод модуляции лазерного излучения, создающий непрерывный спектр, с плавно изменяющейся длиной волны. Основным применением лазеров FDML является оптическая когерентная томография.

Лазеры с практическим блокировкой режима

На практике ряд конструктивных факторов влияет на характеристики лазера с блокировкой мод. Наиболее важными являются общая дисперсия оптического резонатора лазера, которую можно контролировать с помощью призменного компрессора или дисперсионных зеркал, размещенных в резонаторе, и оптические нелинейности. При избыточной чистой групповой задержке (GDD) резонатора лазера фазы мод резонатора не могут быть зафиксированы на широкой полосе частот, что затрудняет получение очень коротких импульсов. При подходящей комбинации отрицательной (аномальной) чистой GDD с нелинейностью Керра солитонные взаимодействия могут стабилизировать блокировку мод и способствовать генерации более коротких импульсов. Минимальная достижимая длительность импульса обычно достигается либо при нулевой дисперсии (без нелинейностей), либо при небольшой отрицательной (аномальной) дисперсии (с использованием солитонного механизма). Самые короткие оптические импульсы, генерируемые непосредственно, обычно создаются Ti:сапфировыми лазерами с блокировкой мод на основе эффекта Керра и имеют длительность около 5 фемтосекунд. В качестве альтернативы, усиленные импульсы аналогичной длительности создаются путем сжатия более длинных импульсов (например, 30 фс) посредством самофазовой модуляции в полых волноводах или во время филаментации. Однако минимальная длительность импульса ограничена периодом несущей частоты (около 2,7 фс для Ti:сапфировых систем), поэтому для получения более коротких импульсов требуется переход к более коротким длинам волн. Некоторые передовые методы (включающие генерацию высоких гармоник с использованием усиленных фемтосекундных лазерных импульсов) позволяют создавать оптические характеристики с длительностью до 100 аттосекунд в области экстремального ультрафиолета (т.е. <30 нм). Другие достижения, особенно важные для лазерных приложений, связаны с разработкой лазеров с блокировкой мод, которые могут быть накачаны лазерными диодами, генерировать очень высокую среднюю выходную мощность (десятки ватт) в субпикосекундных импульсах или генерировать последовательности импульсов с чрезвычайно высокой частотой повторения, достигающей многих ГГц. Длительность импульса менее примерно 100 фс слишком мала для непосредственного измерения с помощью оптоэлектронных методов (т.е. фотодиодов), поэтому используются косвенные методы, такие как автокорреляция, оптическая вентиляция с частотным разрешением, спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля или многофотонное внутриимпульсное фазовое сканирование интерференции.

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.

Приложения

Ядерный синтез (инерциальный термоядерный синтез). Нелинейная оптика, такая как генерация второй гармоники, параметрическое преобразование частоты, оптические параметрические осцилляторы и генерация терагерцового излучения. Оптическое хранение данных использует лазеры, а развивающаяся технология 3D-оптического хранения данных обычно основана на нелинейной фотохимии. По этой причине во многих примерах используются лазеры с захватом мод, поскольку они могут обеспечивать очень высокую частоту повторения ультракоротких импульсов. Фемтосекундная лазерная нанообработка – короткие импульсы могут использоваться для нанообработки различных материалов. Примером пико- и фемтосекундной микрообработки является сверление поверхности кремниевых сопел струйных принтеров. Двухфотонная микроскопия. Хирургия роговицы (см. рефракционная хирургия). Фемтосекундные лазеры могут использоваться для создания пузырьков в роговице. Линия пузырьков может быть использована для создания разреза в роговице, заменяя микрокератом, например, при создании лоскута в хирургии LASIK (это иногда называют Intralasik или полностью лазерной хирургией). Пузырьки также могут создаваться в нескольких слоях, чтобы можно было удалить фрагмент ткани роговицы между этими слоями (процедура, известная как экстракция линзикулярного фрагмента малого разреза). Разработана лазерная технология, позволяющая сделать поверхность металлов глубоко черной. Фемтосекундный лазерный импульс деформирует поверхность металла, формируя наноструктуры. Значительно увеличенная площадь поверхности может поглощать практически весь падающий на нее свет, делая ее глубоко черной. Это один из видов "черного золота". Фотоническая выборка, использующая высокую точность лазеров по сравнению с электронными часами для уменьшения ошибки выборки в электронных АЦП.

Замкнутый механизм лазерной полости

Монохроматичность – это свойство лазера, обусловленное его фундаментальным принципом работы, который включает в себя частотно-селективные элементы. Например, в диодном лазере такими элементами являются внешний зеркальный резонатор и дифракционная решетка. Благодаря этим элементам, частотный отбор приводит к очень узкому спектральному излучению. Однако, при более детальном рассмотрении, обнаруживаются флуктуации частоты, происходящие в различных временных масштабах. Причины их возникновения могут быть разными, например, колебания входного напряжения, акустические вибрации или изменения давления и температуры окружающей среды. Поэтому, для уменьшения этих частотных флуктуаций, необходимо стабилизировать фазу или частоту лазера относительно внешнего эталона. Стабилизация свойств лазера с использованием внешнего источника или внешней привязки обычно называется «блокировкой лазера» или просто «блокировкой».

Появление ошибочного сигнала

Причина генерации сигналов ошибки заключается в создании электронного сигнала, пропорционального отклонению лазера от заданной частоты или фазы, называемой «точкой захвата». Если частота лазера выше заданной, сигнал положительный, если ниже – отрицательный. Точка, в которой сигнал равен нулю, и есть точка захвата. Блокировка лазера, основанная на сигнале ошибки как функции частоты, называется частотной блокировкой, а если сигнал ошибки является функцией фазового отклонения лазера, то это фазовая блокировка лазера. Сигнал может создаваться с использованием оптической схемы, включающей эталоны, например, частотные эталоны. Используя эталон, оптический сигнал напрямую преобразуется в накладывающиеся частоты, которые можно непосредственно детектировать. Альтернативный способ – зарегистрировать сигнал с помощью фотодиода или камеры и затем преобразовать его электронным путем.