Синхронизация мод с линзой Керра (Kerr-lens mode-syncing , KLM ) — это метод синхронизации мод лазеров с помощью нелинейного оптического эффекта Керра . Этот метод позволяет генерировать импульсы света длительностью всего несколько фемтосекунд .
Оптический эффект Керра — это процесс, который возникает в результате нелинейного отклика оптической среды на электрическое поле электромагнитной волны . Показатель преломления среды зависит от напряженности поля. [1]
Из-за неравномерного распределения плотности мощности в гауссовом пучке (как это наблюдается в лазерных резонаторах) показатель преломления изменяется по профилю пучка; показатель преломления, испытываемый пучком, больше в центре пучка, чем на краю. Таким образом, стержень 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 будут фокусироваться иначе, чем непрерывные волны.
Чтобы отдать предпочтение импульсному режиму по сравнению с непрерывным, резонатор можно сделать нестабильным для работы в непрерывном режиме , но чаще всего низкая стабильность является побочным продуктом конструкции резонатора, делающей упор на эффекты апертуры. В старых конструкциях использовалась жесткая апертура, которая просто отсекает, в то время как в современных конструкциях используется мягкая апертура, что означает перекрытие между накачиваемой областью среды усиления и импульсом. Хотя влияние линзы на свободный лазерный луч совершенно очевидно, внутри резонатора весь луч пытается приспособиться к этому изменению. Стандартный резонатор с плоскими зеркалами и тепловой линзой в лазерном кристалле имеет наименьшую ширину луча на торцевых зеркалах. С дополнительной линзой Керра ширина на торцевом зеркале становится еще меньше. Поэтому небольшие торцевые зеркала (жесткая апертура) благоприятствуют импульсам. В осцилляторах Ti:Sapphire телескопы вставляются вокруг кристалла для увеличения интенсивности.
Для мягкой апертуры рассмотрим бесконечный лазерный кристалл с тепловой линзой. Лазерный луч направляется как в стеклянном волокне. С дополнительной линзой Керра ширина луча становится меньше. В реальном лазере кристалл конечен. Полость с обеих сторон имеет вогнутое зеркало и затем относительно длинный путь к плоскому зеркалу. Непрерывный свет выходит из торца кристалла с большей шириной луча и небольшой расходимостью. Он освещает меньшую область на вогнутом зеркале, что приводит к небольшой ширине луча на пути к плоскому зеркалу. Таким образом, дифракция сильнее. Из-за расхождения свет фактически исходит из точки, расположенной дальше, и приводит к большей сходимости после вогнутого зеркала. Эта сходимость уравновешивается дифракцией. Импульсный свет выходит из торца с меньшей шириной луча и без расходимости. Таким образом, он освещает большую область на вогнутом зеркале и впоследствии становится менее сходящимся. Таким образом, как непрерывные волны, так и фронты импульсного света отражаются обратно на себя. Полость, близкая к конфокальной, означает близость к нестабильности, что означает, что диаметр пучка чувствителен к изменениям полости. Это подчеркивает модуляцию. При слегка асимметричной полости удлинение полости подчеркивает дифракцию и даже делает ее нестабильной для непрерывной работы , оставаясь стабильной для импульсной работы .
Длина среды, используемой для KLM, ограничена дисперсией групповой скорости . KLM используется в управлении смещением огибающей несущей .
Начало синхронизации моделей линзой Керра зависит от силы вовлеченного нелинейного эффекта. Если лазерное поле накапливается в полости, лазер должен преодолеть область непрерывной работы волны , что часто благоприятствует механизму накачки. Это может быть достигнуто с помощью очень сильной линзы Керра, которая достаточно сильна для синхронизации моделей из-за небольших изменений силы лазерного поля (нарастание лазерного поля или стохастические флуктуации).
Синхронизацию моделей можно также запустить, сместив оптимальный фокус с непрерывной работы на импульсную работу , одновременно изменяя плотность мощности путем толчка конечного зеркала резонаторной полости (хотя установленное на пьезоэлементе синхронно колеблющееся конечное зеркало было бы более «под ключ»). Другие принципы включают различные нелинейные эффекты, такие как насыщающиеся поглотители и насыщающиеся брэгговские отражатели, которые индуцируют импульсы, достаточно короткие для инициирования процесса линзирования Керра.
Изменения интенсивности с длиной в наносекунды усиливаются процессом линзирования Керра, а длина импульса еще больше сокращается для достижения более высоких напряженностей поля в центре импульса. Этот процесс обострения ограничен только шириной полосы пропускания, достижимой с помощью лазерного материала и зеркал полости, а также дисперсией полости. Самый короткий импульс, достижимый с заданным спектром, называется импульсом с ограниченной шириной полосы пропускания .
Технология чирпированного зеркала позволяет компенсировать временные несоответствия различных длин волн внутри резонатора из-за дисперсии материала, сохраняя при этом высокую стабильность и низкие потери.
Эффект Керра приводит к появлению одновременно Керр-линзы и фазовой автомодуляции . В первом приближении их можно рассматривать как независимые эффекты.
Поскольку синхронизация моделей линзы Керра представляет собой эффект, который напрямую реагирует на электрическое поле, время отклика достаточно мало для создания световых импульсов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длительностью менее 5 фемтосекунд . Благодаря высокой напряженности электрического поля сфокусированные ультракороткие лазерные лучи могут преодолевать порог в 10 14 Вт см −2 , что превосходит напряженность поля электронно-ионной связи в атомах.
Эти короткие импульсы открывают новую область сверхбыстрой оптики , которая представляет собой область нелинейной оптики , дающую доступ к совершенно новому классу явлений, таких как измерение движения электронов в атоме (аттосекундные явления), генерация когерентного широкополосного света (сверхширокополосные лазеры) и, таким образом, порождает множество новых приложений в оптическом зондировании (например, когерентный лазерный радар, оптическая когерентная томография сверхвысокого разрешения ), обработке материалов и других областях, таких как метрология (чрезвычайно точные измерения частоты и времени).