Синхронизация мод — это метод в оптике , с помощью которого лазер может производить импульсы света чрезвычайно короткой длительности, порядка пикосекунд (10−12 с ) или фемтосекунд (10−15 с ). Лазер, работающий таким образом, иногда называют фемтосекундным лазером , например, в современной рефракционной хирургии . Основой метода является создание фиксированного фазового соотношения между продольными модами резонансной полости лазера . Конструктивная интерференция между этими модами может привести к тому, что лазерный свет будет производиться в виде последовательности импульсов. Тогда лазер называется «синхронизированным по фазе» или «синхронизированным по модам».
Хотя лазерный свет, возможно, является самой чистой формой света, он не имеет одной чистой частоты или длины волны . Все лазеры излучают свет в некоторой естественной полосе пропускания или диапазоне частот. Полоса пропускания лазера определяется в первую очередь усиливающей средой, из которой он изготовлен, а диапазон частот, в котором может работать лазер, известен как полоса пропускания усиления. Например, типичный гелий-неоновый лазер имеет полосу пропускания усиления около 1,5 ГГц (диапазон длин волн около 0,002 нм при центральной длине волны 633 нм), тогда как твердотельный лазер на сапфире, легированном титаном ( Ti:sapphire ), имеет полосу пропускания около 128 ТГц (диапазон длин волн 300 нм с центром на 800 нм).
Вторым фактором, определяющим частоты излучения лазера, является оптическая полость (или резонансная полость) лазера. В простейшем случае она состоит из двух плоских зеркал , обращенных друг к другу, окружающих усиливающую среду лазера (такое расположение известно как полость Фабри-Перо ). Поскольку свет является волной , при отражении между зеркалами полости свет конструктивно и деструктивно интерферирует сам с собой, что приводит к образованию стоячих волн , или мод , между зеркалами. Эти стоячие волны образуют дискретный набор частот, известных как продольные моды полости. Эти моды являются единственными частотами света, которые являются самовосстанавливающимися и которым позволяет колебаться резонансная полость; все другие частоты света подавляются деструктивной интерференцией. Для простого плоскозеркального резонатора разрешенными модами являются те, для которых расстояние между зеркалами L является точным кратным половине длины волны света λ , так что L = qλ / 2 , где q — целое число, известное как порядок моды.
На практике L обычно намного больше λ , поэтому соответствующие значения q велики (около 10 5 - 10 6 ). Больший интерес представляет частотное разделение между любыми двумя соседними модами q и q + 1 ; оно определяется (для пустого линейного резонатора длиной L ) как Δ ν = c / 2 L , где c - скорость света (≈ 3×10 8 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 резонатором 30 см полоса пропускания He-Ne-лазера в 1,5 ГГц будет поддерживать до 3 продольных мод, тогда как полоса пропускания Ti:sapphire-лазера в 128 ТГц может поддерживать приблизительно 250 000 мод. Когда возбуждается более одной продольной моды, говорят, что лазер работает в «многомодовом» режиме. Когда возбуждается только одна продольная мода, говорят, что лазер работает в «одномодовом» режиме.
Каждая отдельная продольная мода имеет некоторую полосу пропускания или узкий диапазон частот, в котором она работает, но обычно эта полоса пропускания, определяемая добротностью резонатора ( см. интерферометр Фабри-Перо ), намного меньше межмодового частотного разделения.
В простом лазере каждая из этих мод колеблется независимо, без фиксированной связи между собой, по сути, как набор независимых лазеров, все излучающие свет на немного разных частотах. Индивидуальная фаза световых волн в каждой моде не фиксирована и может случайным образом меняться из-за таких вещей, как тепловые изменения в материалах лазера. В лазерах с несколькими колебательными модами интерференция между модами может вызывать эффекты биений на выходе лазера, приводящие к колебаниям интенсивности; в лазерах с многими тысячами мод эти эффекты интерференции имеют тенденцию усредняться до почти постоянной выходной интенсивности.
Если вместо того, чтобы колебаться независимо, каждая мода работает с фиксированной фазой между ней и другими модами, то выходной сигнал лазера ведет себя совершенно иначе. Вместо случайной или постоянной выходной интенсивности моды лазера будут периодически все конструктивно интерферировать друг с другом, производя интенсивный всплеск или импульс света. Такой лазер называется «синхронизированным по модам» или «синхронизированным по фазе». Эти импульсы происходят с интервалом времени τ = 2 L / c , где τ — это время, необходимое свету, чтобы совершить ровно один круговой обход лазерного резонатора. Это время соответствует частоте, точно равной межмодовому интервалу лазера, Δ ν = 1/ τ .
Длительность каждого импульса света определяется числом мод, колеблющихся в фазе (в реальном лазере не обязательно, что все моды лазера синхронизированы по фазе). Если имеется N мод, синхронизированных с частотным разделением Δ ν , то общая ширина полосы синхронизированных мод составляет N Δ ν , и чем шире эта ширина полосы, тем короче длительность импульса лазера. На практике фактическая длительность импульса определяется формой каждого импульса, которая, в свою очередь, определяется точным соотношением амплитуды и фазы каждой продольной моды. Например, для лазера, создающего импульсы с гауссовой временной формой, минимально возможная длительность импульса Δ t определяется как
Значение 0,441 известно как « произведение времени на ширину полосы пропускания » импульса и варьируется в зависимости от формы импульса. Для лазеров с ультракороткими импульсами часто предполагается гиперболическая секанс- квадратная (sech 2 ) форма импульса, что дает произведение времени на ширину полосы пропускания 0,315.
Используя это уравнение, можно рассчитать минимальную длительность импульса, соответствующую измеренной спектральной ширине лазера. Для гелий-неонового лазера с полосой пропускания 1,5 ГГц самый короткий гауссов импульс, соответствующий этой спектральной ширине, составляет около 300 пикосекунд; для титан-сапфирового лазера с полосой пропускания 128 ТГц эта спектральная ширина соответствует импульсу всего в 3,4 фемтосекунды. Эти значения представляют собой самые короткие возможные гауссовы импульсы, соответствующие полосе пропускания лазера; в реальном лазере с синхронизированными модами фактическая длительность импульса зависит от многих других факторов, таких как фактическая форма импульса и общая дисперсия резонатора.
Последующая модуляция могла бы, в принципе, еще больше сократить ширину импульса такого лазера; однако измеренная ширина спектра тогда соответственно увеличилась бы.
Существует много способов заблокировать частоту, но основной принцип один и тот же, основанный на обратной связи лазерной системы. Начальной точкой обратной связи является величина, которая должна быть стабилизирована (частота или фаза). Чтобы проверить, изменяется ли частота со временем, необходим эталон. Обычный способ измерения частоты лазера — связать ее с геометрическим свойством оптического резонатора. Для этой цели чаще всего используется резонатор Фабри-Перо , состоящий из двух параллельных зеркал, разделенных некоторым расстоянием. Этот метод основан на том факте, что свет может резонировать и передаваться только в том случае, если длина оптического пути одного кругового обхода является целым кратным длины волны света. Отклонение частоты лазера от этого условия приведет к уменьшению передачи этой частоты. Связь между передачей и отклонением частоты задается функцией Лоренца с полной шириной полумаксимальной ширины линии
где Δ ν FSR = c /2 L — разность частот между соседними резонансами (т.е. свободный спектральный диапазон), а F — тонкость ,
где R — отражательная способность зеркал. Поэтому для получения малой ширины линии резонатора зеркала должны иметь большую отражательную способность, поэтому для уменьшения ширины линии лазера до минимальной степени требуется резонатор с высокой точностью.
Методы создания синхронизации мод в лазере можно классифицировать как «активные» или «пассивные». Активные методы обычно подразумевают использование внешнего сигнала для индукции модуляции внутрирезонаторного света. Пассивные методы не используют внешний сигнал, а полагаются на размещение некоторого элемента в резонаторе лазера, который вызывает самомодуляцию света.
Наиболее распространенный метод активной синхронизации мод заключается в том, что электрооптический модулятор со стоячей волной помещается в лазерный резонатор. При управлении электрическим сигналом это создает синусоидальную амплитудную модуляцию света в резонаторе. Рассматривая это в частотной области, если мода имеет оптическую частоту ν и модулируется по амплитуде на частоте f , то результирующий сигнал имеет боковые полосы на оптических частотах ν − f и ν + f . Если модулятор возбуждается на той же частоте, что и расстояние между модами резонатора Δ ν , то эти боковые полосы соответствуют двум модам резонатора, соседним с исходной модой. Поскольку боковые полосы возбуждаются синфазно, центральная мода и соседние моды будут синхронизированы по фазе вместе. Дальнейшая работа модулятора на боковых полосах создает фазовую синхронизацию мод ν − 2 f и ν + 2 f и так далее, пока все моды в полосе усиления не будут синхронизированы. Как было сказано выше, типичные лазеры являются многомодовыми и не затравлены корневой модой, поэтому множественные моды должны решить, какую фазу использовать. В пассивном резонаторе с применением этой блокировки нет способа сбросить энтропию, заданную исходными независимыми фазами. Эту блокировку лучше описать как связь, приводящую к сложному поведению, а не к чистым импульсам. Связь является диссипативной только из-за диссипативной природы амплитудной модуляции; в противном случае фазовая модуляция не работала бы.
Этот процесс также можно рассматривать во временной области. Амплитудный модулятор действует как слабый «затвор» для света, отражающегося между зеркалами полости, ослабляя свет, когда он «закрыт», и пропуская его, когда он «открыт». Если скорость модуляции f синхронизирована со временем прохождения полости туда и обратно τ , то одиночный импульс света будет отскакивать туда и обратно в полости. Фактическая сила модуляции не обязательно должна быть большой; модулятор, который ослабляет 1% света, когда «закрыт», будет синхронизировать моду лазера, поскольку одна и та же часть света многократно ослабляется при прохождении полости.
Связанная с этой амплитудной модуляцией (АМ), активная синхронизация мод является синхронизацией мод частотной модуляции (ЧМ), которая использует модуляторное устройство, основанное на акустооптическом эффекте . Это устройство, помещенное в лазерный резонатор и управляемое электрическим сигналом, вызывает небольшой синусоидально изменяющийся сдвиг частоты в проходящем через него свете. Если частота модуляции совпадает со временем прохождения сигнала через резонатор, то часть света в резонаторе испытывает повторяющиеся сдвиги вверх по частоте и некоторые повторяющиеся сдвиги вниз. После многих повторений смещенный вверх и вниз свет выметается из полосы усиления лазера. Единственный свет, который не подвергается воздействию, — это тот, который проходит через модулятор, когда индуцированный сдвиг частоты равен нулю, что формирует узкий импульс света.
Третий метод активной синхронизации мод — это синхронная синхронизация мод, или синхронная накачка. При этом источник накачки (источник энергии) для лазера сам модулируется, эффективно включая и выключая лазер для генерации импульсов. Обычно источником накачки является сам другой лазер с синхронизацией мод. Этот метод требует точного соответствия длин резонаторов лазера накачки и ведомого лазера.
Пассивные методы синхронизации мод — это те, которые не требуют внешнего сигнала по отношению к лазеру (например, управляющего сигнала модулятора) для создания импульсов. Вместо этого они используют свет в полости, чтобы вызвать изменение в некотором внутриполостном элементе, который затем сам вызовет изменение во внутриполостном свете. Обычно используемым устройством для достижения этого является насыщаемый поглотитель .
Насыщаемый поглотитель — это оптическое устройство, которое демонстрирует зависящую от интенсивности передачу, что означает, что устройство ведет себя по-разному в зависимости от интенсивности проходящего через него света. Для пассивной синхронизации мод в идеале насыщаемый поглотитель избирательно поглощает свет низкой интенсивности, но пропускает свет достаточно высокой интенсивности. При помещении в лазерный резонатор насыщаемый поглотитель ослабляет свет постоянной волны низкой интенсивности (крылья импульса). Однако из-за несколько случайных флуктуаций интенсивности, испытываемых лазером без синхронизации мод, любой случайный интенсивный всплеск передается преимущественно насыщаемым поглотителем. Поскольку свет в резонаторе колеблется, этот процесс повторяется, что приводит к избирательному усилению всплесков высокой интенсивности и поглощению света низкой интенсивности. После множества циклов это приводит к последовательности импульсов и синхронизации мод лазера.
Рассматривая это в частотной области, если мода имеет оптическую частоту ν и модулируется по амплитуде на частоте nf , то результирующий сигнал имеет боковые полосы на оптических частотах ν − nf и ν + nf и обеспечивает гораздо более сильную синхронизацию мод для более коротких импульсов и большую стабильность, чем активная синхронизация мод, но имеет проблемы с запуском.
Насыщаемые поглотители обычно представляют собой жидкие органические красители, но их также можно изготавливать из легированных кристаллов и полупроводников . Полупроводниковые поглотители, как правило, демонстрируют очень быстрое время отклика (~100 фс), что является одним из факторов, определяющих конечную длительность импульсов в пассивно синхронизированном лазере. В лазере с синхронизированными модами на основе сталкивающихся импульсов поглотитель делает передний фронт более крутым, в то время как лазерная среда делает задний фронт импульса более крутым.
Существуют также пассивные схемы синхронизации мод, которые не полагаются на материалы, которые напрямую демонстрируют поглощение, зависящее 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. Одна из наиболее успешных схем называется синхронизацией мод линзы Керра (KLM), также иногда называемой «самосинхронизацией мод». Она использует нелинейный оптический процесс, оптический эффект Керра , который приводит к тому, что свет высокой интенсивности фокусируется иначе, чем свет низкой интенсивности. При тщательном размещении апертуры в резонаторе лазера этот эффект может быть использован для создания эквивалента насыщающегося поглотителя со сверхбыстрым временем отклика.
В некоторых полупроводниковых лазерах может использоваться комбинация двух вышеописанных методов. Используя лазер с насыщающимся поглотителем и модулируя электрическую инжекцию на той же частоте, на которой синхронизирован лазер, лазер может быть стабилизирован электрической инжекцией. Это имеет преимущество стабилизации фазового шума лазера и может уменьшить временной джиттер импульсов лазера.
Когерентная передача фазовой информации между последовательными лазерными импульсами также наблюдалась в нанопроволочных лазерах . Здесь фазовая информация сохранялась в остаточном фотонном поле когерентных колебаний Раби в полости. Такие открытия открывают путь к фазовой синхронизации источников света, интегрированных в фотонные схемы и приложения в масштабе чипа, такие как спектроскопия гребенки Рэмси на чипе. [1]
Синхронизация мод в области Фурье (FDML) — это метод синхронизации мод лазера, который создает непрерывный световой сигнал с изменяющейся длиной волны. [2] Основным применением лазеров FDML является оптическая когерентная томография .
На практике на производительность лазера с синхронизацией мод влияет ряд конструктивных соображений. Наиболее важными из них являются общая дисперсия оптического резонатора лазера , которую можно контролировать с помощью призменного компрессора или некоторых дисперсионных зеркал, размещенных в резонаторе, и оптические нелинейности . При чрезмерной дисперсии чистой групповой задержки (GDD) резонатора лазера фаза мод резонатора не может быть заблокирована в большой полосе пропускания, и будет трудно получить очень короткие импульсы. Для подходящей комбинации отрицательной (аномальной) чистой GDD с нелинейностью Керра солитоноподобные взаимодействия могут стабилизировать синхронизацию мод и помочь генерировать более короткие импульсы. Наименьшая возможная длительность импульса обычно достигается либо при нулевой дисперсии (без нелинейностей), либо при некоторой слегка отрицательной (аномальной) дисперсии (используя солитонный механизм).
Самые короткие напрямую производимые оптические импульсы обычно производятся с помощью Ti: сапфировых лазеров с синхронизированными модами и линзами Керра и имеют длительность около 5 фемтосекунд. В качестве альтернативы усиленные импульсы аналогичной длительности создаются путем сжатия более длинных (например, 30 фс) импульсов путем фазовой самомодуляции в полом волокне или во время филаментации. Однако минимальная длительность импульса ограничена периодом несущей частоты (который составляет около 2,7 фс для систем Ti: сапфир); поэтому более короткие импульсы требуют перехода на более короткие длины волн. Некоторые передовые методы (включая генерацию высоких гармоник с усиленными фемтосекундными лазерными импульсами) могут использоваться для создания оптических характеристик с длительностью до 100 аттосекунд в экстремальной ультрафиолетовой спектральной области (т. е. <30 нм). Другие достижения, особенно важные для лазерных приложений , касаются разработки лазеров с синхронизацией мод, которые могут накачиваться лазерными диодами , могут генерировать очень высокую среднюю выходную мощность (десятки ватт) в субпикосекундных импульсах или генерировать последовательности импульсов с чрезвычайно высокой частотой повторения во много ГГц.
Длительность импульсов менее 100 фемтосекунд слишком мала для непосредственного измерения с помощью оптоэлектронных методов (например, фотодиодов ), поэтому используются косвенные методы, такие как автокорреляция , оптическое стробирование с частотным разрешением , спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля и многофотонное внутриимпульсное интерференционное фазовое сканирование .
Монохроматический свет — свойство лазера, зависящее от фундаментального принципа работы лазера, который содержит частотно-селективные элементы. Например, в диодных лазерах такими элементами являются внешние зеркальные резонаторы и решетки . С помощью этих элементов частотный отбор приводит к очень узкому спектральному излучению света. Однако при внимательном наблюдении наблюдаются флуктуации частоты, которые происходят в разных временных масштабах. Причины их возникновения могут быть разными, например, флуктуация входного напряжения, акустическая вибрация или изменение давления и температуры окружающей среды. Таким образом, чтобы сузить эти частотные флуктуации, необходимо стабилизировать фазу или частоту лазера до внешней степени. Стабилизация свойств лазера с использованием любого внешнего источника или внешнего эталона обычно называется «лазерной блокировкой» или просто «блокировкой».
Причина генерации для создания сигналов ошибки заключается в создании электронного сигнала, который пропорционален отклонению лазера от определенной установленной частоты или фазы, что называется «точкой блокировки». Если частота лазера большая, то сигнал положительный; если частота очень маленькая, то сигнал отрицательный. Точка, в которой сигнал равен нулю, называется точкой блокировки. Блокировка лазера на основе сигнала ошибки, который является функцией частоты, называется блокировкой частоты, а если сигнал ошибки является функцией отклонения фазы лазера, то такая блокировка называется фазовой блокировкой. Если сигнал создается с использованием оптической установки, включающей опорные частоты, такие как опорные частоты, то с использованием опорного сигнала оптический сигнал напрямую преобразуется в частоты, которые можно обнаружить напрямую. Другой способ — записать сигнал с помощью фотодиода или камеры и далее изменить этот сигнал электронным способом.
