Синхронизация мод — это метод в оптике , с помощью которого можно заставить лазер генерировать световые импульсы 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 . В основе метода лежит создание фиксированного фазового соотношения между продольными модами резонансного резонатора лазера . Конструктивная интерференция между этими модами может привести к тому, что лазерный свет будет генерироваться в виде последовательности импульсов. В этом случае говорят, что лазер имеет «фазовую синхронизацию» или «синхронизацию мод».
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. Рабочая полоса пропускания лазера определяется в первую очередь усиливающей средой , из которой он изготовлен, а диапазон частот, в котором может работать лазер, известен как полоса усиления. Например, типичный гелий-неоновый лазер имеет полосу 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 полоса пропускания около 128 ТГц (диапазон длин волн 300 нм с центром в 800 нм).
Вторым фактором, определяющим частоты излучения лазера, является оптический резонатор (или резонансный резонатор) лазера. В простейшем случае он состоит из двух плоских (плоских) зеркал , обращенных друг к другу и окружающих усиливающую среду лазера (такое устройство известно как резонатор Фабри – Перо ). Поскольку свет представляет собой волну , то, отражаясь между зеркалами резонатора, свет конструктивно и деструктивно интерферирует сам с собой, приводя к образованию стоячих волн , или мод , между зеркалами. Эти стоячие волны образуют дискретный набор частот, известный как продольные моды полости. Эти моды являются единственными частотами света, которые являются самовосстанавливающимися и могут колебаться в резонансной полости; все остальные частоты света подавляются деструктивной интерференцией. Для простого резонатора с плоским зеркалом разрешенными модами являются те, для которых расстояние между зеркалами L точно кратно половине длины волны света λ , так что L = qλ /2 , где q — целое число, известное как порядок режимов.
На практике L обычно намного больше, чем λ , поэтому соответствующие значения q велики (около 10 5–10 6 ) . Больший интерес представляет разделение частот между любыми двумя соседними модами q и q + 1; это определяется (для пустого линейного резонатора длины L ) Δ ν :
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 1,5 ГГц HeNe-лазера будет поддерживать до 3 продольных мод, тогда как полоса пропускания 128 ТГц Ti:сапфирового лазера может поддерживать примерно 250 000 мод. Когда возбуждается более одной продольной моды, говорят, что лазер находится 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, чем межмодовое разделение частот.
В простом лазере каждая из этих мод колеблется независимо, без фиксированной взаимосвязи друг с другом, по сути, как набор независимых лазеров, излучающих свет на несколько разных частотах. Индивидуальная фаза световых волн в каждом режиме не фиксирована и может изменяться случайным образом из-за таких факторов, как термические изменения материалов лазера. В лазерах с несколькими колеблющимися модами интерференция между модами может вызвать эффект биения выходного сигнала лазера, что приводит к флуктуациям интенсивности; в лазерах со многими тысячами мод эти интерференционные эффекты 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, выходной сигнал лазера ведет себя совершенно по-другому. Вместо случайной или постоянной выходной интенсивности моды лазера периодически конструктивно интерферируют друг с другом, создавая интенсивную вспышку или импульс света. О таком лазере говорят, что он имеет «синхронизацию мод» или «синхронизацию фаз». Эти импульсы возникают с разделением во времени на τ = 2 L / c , где τ — время, необходимое свету для прохождения ровно одного кругового обхода резонатора лазера. Это время соответствует частоте, точно равной межмодовому расстоянию лазера, Δ ν = 1/ τ .
Длительность каждого импульса света определяется количеством мод, колеблющихся в фазе (в реальном лазере не обязательно все моды лазера синхронизированы по фазе). Если имеется N мод, синхронизированных с разнесением частот Δ ν , общая полоса частот синхронизации мод равна N Δ ν , и чем шире эта полоса пропускания, 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, производящего импульсы с гауссовой временной формой, минимально возможная длительность импульса Δt определяется выражением
Значение 0,441 известно как « произведение времени на полосу пропускания » импульса и варьируется в зависимости от формы импульса. Для лазеров с ультракороткими импульсами часто предполагается форма импульса гиперболического секанс -квадрата (sech 2 ), что дает произведение времени на полосу пропускания, равное 0,315.
Используя это уравнение, можно рассчитать минимальную длительность импульса в соответствии с измеренной шириной спектра лазера. Для HeNe-лазера с полосой пропускания 1,5 ГГц самый короткий гауссов импульс, соответствующий этой спектральной ширине, будет составлять 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 максимально короткие гауссовы импульсы, соответствующие полосе пропускания лазера; в реальном лазере с синхронизацией мод фактическая длительность импульса зависит от многих других факторов, таких как фактическая форма импульса и общая дисперсия резонатора.
Последующая модуляция, в принципе, могла бы еще больше сократить длительность импульса такого лазера; однако тогда измеренная спектральная ширина будет соответственно увеличена.
Существует много способов блокировки частоты, но основной принцип один и тот же: он основан на контуре обратной связи лазерной системы. Отправной точкой контура обратной связи является величина, которую необходимо стабилизировать (частота или фаза). Чтобы проверить, меняется ли частота со временем или нет, необходим эталон. Измерить частоту лазера — значит связать ее с геометрическими свойствами оптического резонатора. Чаще всего для этой цели используют 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 прохождения туда и обратно кратна длине волны света. Отклонение частоты лазера от этого условия приведет к снижению передачи частоты. Связь между передачей и отклонением частоты определяется функцией Лоренца с полной шириной линии, равной половине максимальной ширины.
∆ν C =∆ν FSR /ℱ
Где ∆ν FSR =C/2L — разность частот между соседними резонансами (т. е. свободный спектральный диапазон), а ℱ — точность , ℱ = πR ½ /(1-R). R – отражательная способность зеркал. Как ясно из уравнения, для получения малой ширины линии резонатора зеркала должны иметь более высокую отражательную способность. Поэтому для минимального уменьшения ширины линии лазера требуется резонатор с высокой точностью.
Методы синхронизации мод в лазере можно разделить на «активные» и «пассивные». Активные методы обычно включают использование внешнего сигнала для индукции модуляции внутрирезонаторного света. Пассивные методы не используют внешний сигнал, а основаны на помещении в резонатор лазера какого-либо элемента, который вызывает самомодуляцию света.
Наиболее распространенный метод активной синхронизации мод помещает электрооптический модулятор стоячей волны в резонатор лазера. При подаче электрического сигнала это вызывает синусоидальную амплитудную модуляцию света в резонаторе. Учитывая это в частотной области, если мода имеет оптическую частоту ν и модулируется по амплитуде на частоте f , результирующий сигнал имеет боковые полосы на оптических частотах ν − f и ν + f . Если модулятор работает 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. Дальнейшая работа модулятора на боковых полосах приводит к фазовой синхронизации мод ν − 2 f и ν + 2 f и так до тех пор, пока все моды в полосе усиления не будут синхронизированы. Как сказано выше, типичные лазеры являются многомодовыми и не имеют корневой моды. Таким образом, несколько режимов должны решить, какую фазу использовать. В пассивной полости с такой блокировкой невозможно сбросить энтропию, создаваемую исходными независимыми фазами. Эту блокировку лучше описать как связь, приводящую к сложному поведению и нечистым импульсам. Связь является только диссипативной из-за диссипативного характера амплитудной модуляции. В противном случае фазовая модуляция не будет работать.
Этот процесс также можно рассматривать во временной области. Амплитудный модулятор действует как слабый «затвор» для света, отражающегося между зеркалами резонатора, ослабляя свет, когда он «закрыт», и пропуская его, когда он «открыт». Если скорость модуляции f синхронизирована со временем прохождения резонатора туда и обратно τ , то одиночный импульс света будет отражаться взад и вперед в резонаторе. Фактическая сила модуляции не обязательно должна быть большой; модулятор, который ослабляет 1% света в «закрытом» состоянии, будет синхронизировать моды лазера, поскольку одна и та же часть света многократно ослабляется при прохождении через резонатор.
В отношении этой амплитудной модуляции (AM) активная синхронизация режима представляет собой синхронизацию режима частотной модуляции (FM), в которой используется модуляторное устройство, основанное на акустооптическом эффекте . Это устройство, помещенное в резонатор лазера и управляемое электрическим сигналом, вызывает небольшой синусоидально изменяющийся сдвиг частоты в проходящем через него свете. Если частота модуляции соответствует времени прохождения резонатора туда и обратно, то некоторый свет в резонаторе вызывает повторяющиеся сдвиги частоты вверх и некоторые повторные сдвиги вниз. После многих повторений свет, смещенный вверх и вниз, выводится 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 синхронизации активного режима — синхронная синхронизация режимов, 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 другой лазер с синхронизацией мод. Этот метод требует точного согласования длин резонаторов лазера накачки и управляемого лазера.
Методы пассивной синхронизации мод — это методы, которые не требуют внешнего по отношению к лазеру сигнала (например, управляющего сигнала модулятора) для создания импульсов. Скорее, они используют свет в полости, чтобы вызвать изменение в каком-то внутрирезонаторном элементе, который затем сам вызывает изменение внутрирезонаторного света. Обычно используемое устройство для достижения этой цели — насыщаемый поглотитель .
Насыщаемый поглотитель — это оптическое устройство, пропускание которого зависит от интенсивности, то есть устройство ведет себя по-разному в зависимости от интенсивности проходящего через него света. Для пассивной синхронизации мод в идеале насыщающийся поглотитель избирательно поглощает свет низкой интенсивности, но пропускает свет достаточно высокой интенсивности. Помещенный в резонатор лазера насыщающийся поглотитель ослабляет свет постоянной волны низкой интенсивности (крылья импульса). Однако из-за несколько случайных флуктуаций интенсивности, испытываемых лазером без синхронизации мод, любой случайный интенсивный импульс передается преимущественно насыщающимся поглотителем. Когда свет в резонаторе колеблется, этот процесс повторяется, что приводит к избирательному усилению импульсов высокой интенсивности и поглощению света низкой интенсивности. После множества обходов это приводит к последовательности импульсов и синхронизации режимов лазера.
Учитывая это в частотной области, если мода имеет оптическую частоту ν и модулируется по амплитуде на частоте nf , 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 более стабильность, чем блокировка активного режима, но имеет проблемы с запуском.
Насыщающиеся поглотители обычно представляют собой жидкие органические красители, но их также можно изготавливать из легированных кристаллов и полупроводников . Полупроводниковые поглотители имеют тенденцию иметь очень быстрое время отклика (~ 100 фс), что является одним из факторов, определяющих конечную длительность импульсов в лазере с пассивной синхронизацией мод. В лазере с синхронизацией мод встречных импульсов поглотитель увеличивает крутизну переднего фронта, а лазерная среда делает крутизну заднего фронта импульса.
Существуют также схемы пассивной синхронизации мод, которые не полагаются на материалы, которые напрямую демонстрируют поглощение, зависящее от интенсивности. В этих методах нелинейно-оптические эффекты во внутрирезонаторных компонентах используются для обеспечения метода избирательного усиления света высокой интенсивности в резонаторе и ослабления света низкой интенсивности. Одна из наиболее успешных схем называется синхронизацией режима линзы Керра (KLM), которую также иногда называют «самоблокировкой режима». При этом используется нелинейный оптический процесс, оптический эффект Керра , в результате которого свет высокой интенсивности фокусируется иначе, чем свет низкой интенсивности. При тщательном расположении апертуры в резонаторе лазера этот эффект можно использовать для создания эквивалента насыщаемого поглотителя со сверхбыстрым временем отклика.
В некоторых полупроводниковых лазерах можно использовать комбинацию двух вышеуказанных методов. Используя лазер с насыщающимся поглотителем и модулируя электрическую инжекцию на той же частоте, на которой заблокирован лазер, лазер можно стабилизировать с помощью электрической инжекции. Преимущество этого заключается в стабилизации фазового шума лазера и уменьшении временного джиттера импульсов лазера.
Когерентная передача фазовой информации между последующими лазерными импульсами также наблюдалась в лазерах на нанонитях . Здесь фазовая информация сохраняется в остаточном поле фотонов когерентных колебаний Раби в резонаторе. Такие открытия открывают путь к фазовой синхронизации источников света, интегрированных в фотонные схемы и приложения масштаба чипа, такие как встроенная гребенчатая спектроскопия Рамсея. [1]
Синхронизация мод в области Фурье (FDML) — это метод синхронизации мод лазера, который создает непрерывный световой поток со сдвигом длины волны. [2] Основным применением FDML-лазеров является оптическая когерентная томография .
На практике на характеристики лазера с синхронизацией мод влияет ряд конструктивных соображений. Наиболее важными из них являются общая дисперсия оптического резонатора лазера , которой можно управлять с помощью призменного компрессора или некоторых дисперсионных зеркал, помещенных в резонатор, а также оптические нелинейности . При чрезмерной суммарной дисперсии групповой задержки (GDD) лазерного резонатора фаза мод резонатора не может быть синхронизирована в широкой полосе пропускания, и будет трудно получить очень короткие импульсы. При подходящей комбинации отрицательного (аномального) чистого GDD с керровской нелинейностью солитоноподобные взаимодействия могут стабилизировать синхронизацию мод и помочь генерировать более короткие импульсы. Минимально возможная длительность импульса обычно достигается либо при нулевой дисперсии (без нелинейностей), либо при некоторой слегка отрицательной (аномальной) дисперсии (при использовании солитонного механизма).
Самые короткие оптические импульсы, создаваемые напрямую, обычно производятся титан-сапфировыми лазерами с синхронизацией мод с линзой Керра и имеют длину около 5 фемтосекунд. Альтернативно, усиленные импульсы аналогичной длительности создаются путем сжатия более длинных (например, 30 фс) импульсов посредством автофазовой модуляции в полом волокне или во время филаментации. Однако минимальная длительность импульса ограничена периодом несущей частоты (который для систем Ti:сапфир составляет около 2,7 фс), поэтому более короткие импульсы требуют перехода к более коротким длинам волн. Некоторые передовые методы (включающие генерацию высоких гармоник с помощью усиленных фемтосекундных лазерных импульсов) можно использовать для создания оптических элементов длительностью всего 100 аттосекунд в крайнем ультрафиолетовом диапазоне спектра (т. е. <30 нм). Другие достижения, важные, в частности, 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 частота повторения многих ГГц.
Длительность импульса менее 100 фс слишком коротка, чтобы ее можно было напрямую измерить с помощью оптоэлектронных методов (например, фотодиодов ), поэтому косвенные методы, такие как автокорреляция , оптическое стробирование с частотным разрешением , спектрально-фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля или многофотонная внутриимпульсная интерференция. используется фазовая развертка .
Монохроматический свет — это свойство лазера, которое зависит от основного принципа работы лазера, который содержит частотно-селективные элементы. Например , в диодном лазере такими элементами являются внешний зеркальный резонатор и решетка . С помощью этих элементов подбор частоты приводит к очень узкому спектру излучения света. Однако при внимательном наблюдении наблюдаются колебания частоты, происходящие в разных временных масштабах. Причины их возникновения могут быть разными, например, колебания входного напряжения, акустическая вибрация или изменение давления и температуры окружающей среды. Итак, чтобы сузить эти колебания частоты, необходимо стабилизировать фазу или частоту лазера во внешней степени. Стабилизация свойств лазера с использованием любого внешнего источника или внешнего опорного источника обычно называется «блокировкой лазера» или просто «блокировкой».
Причиной создания сигналов ошибки является создание электронного сигнала, который пропорционален отклонению лазера от определенной заданной частоты или фазы, которая называется «точкой блокировки». Если частота лазера большая, то сигнал положительный, если частота очень мала, то сигнал отрицательный. Точка, в которой сигнал равен нулю, называется точкой блокировки. Синхронизация лазера на основе сигнала ошибки, который является функцией частоты, называется синхронизацией частоты, а если сигнал ошибки является функцией отклонения фазы лазера, то эта синхронизация называется фазовой синхронизацией лазера. Если сигнал создается с использованием оптической установки, включающей опорные сигналы, такие как опорные частоты. Используя опорный сигнал, оптический сигнал напрямую преобразуется в частоты, которые могут быть обнаружены напрямую. Другой способ — записать сигнал с помощью фотодиода или камеры и в дальнейшем изменить этот сигнал электронным способом.
