Блокировка модели линзы Керра

Синхронизация мод линзы Керра ( KLM ) — это метод синхронизации мод лазеров посредством нелинейного оптического эффекта Керра . Этот метод позволяет генерировать импульсы света 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. ^{[ 1 ]}

Из-за неравномерного распределения плотности мощности в гауссовом луче (как в лазерных резонаторах) показатель преломления изменяется по профилю луча; показатель преломления луча больше в центре луча, чем на его краях. Таким образом, стержень активной среды Керра действует как линза для света высокой интенсивности. Это называется самофокусировкой и в крайних случаях приводит к материальному разрушению. Тогда в резонаторе лазера короткие вспышки света будут фокусироваться иначе, чем непрерывные волны.

Чтобы отдать предпочтение импульсному режиму перед непрерывным, резонатор можно сделать нестабильным для работы в непрерывном режиме , но чаще всего низкая стабильность является побочным продуктом конструкции резонатора, в которой упор делается на эффекты апертуры. В более старых конструкциях использовалась жесткая апертура, которая просто отсекается, тогда как в современных конструкциях используется мягкая апертура, что означает перекрытие между накачиваемой областью усиливающей среды и импульсом. Хотя влияние линзы на свободный лазерный луч совершенно очевидно, внутри резонатора весь луч пытается адаптироваться к этому изменению. Стандартный резонатор с плоскими зеркалами и тепловой линзой в кристалле лазера имеет наименьшую ширину луча на торцевых зеркалах. С дополнительной линзой Керра ширина торцевого зеркала становится еще меньше. Поэтому маленькие торцевые зеркала (жесткая апертура) предпочитают импульсы. В генераторах Ti:Sapphire вокруг кристалла вставлены телескопы для увеличения интенсивности.

В качестве мягкой апертуры рассмотрим бесконечный лазерный кристалл с тепловой линзой. Лазерный луч направляется как в стекловолокне. При использовании дополнительной линзы Керра ширина луча уменьшается. В реальном лазере кристалл конечен. Полость с обеих сторон имеет вогнутое зеркало, а затем относительно длинный путь к плоскому зеркалу. Непрерывный свет выходит из торца кристалла с большей шириной луча и небольшой расходимостью. Он освещает меньшую область вогнутого зеркала, 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 друг от друга, и приводит к большей конвергенции после вогнутого зеркала. Эта конвергенция уравновешивается дифракцией. Импульсный свет выходит из торца с меньшей шириной луча и без расходимости. Таким образом, он освещает большую площадь вогнутого зеркала и впоследствии становится менее сходящимся. Таким образом, как непрерывные волны, так и импульсные световые фронты отражаются сами на себя. Резонатор, близкий к конфокальному, означает близость к нестабильности, а значит, диаметр пучка чувствителен к изменениям резонатора. Это подчеркивает модуляцию. При слегка асимметричной полости, удлиняющей полость, усиливается дифракция и даже становится неустойчивой для непрерывная работа , оставаясь при этом стабильной для импульсной работы .

Длина среды, используемой для KLM, ограничена дисперсией групповой скорости . KLM используется для управления смещением конверта несущей .

Запуск лазера с синхронизированной моделью линзы Керра

Начало синхронизации моделей линзы Керра зависит от силы задействованного нелинейного эффекта. Если лазерное поле накапливается в резонаторе, лазеру приходится преодолевать область непрерывного режима работы , чему часто благоприятствует механизм накачки. Этого можно достичь с помощью очень сильной линзы Керра, которая достаточно сильна для синхронизации модели из-за небольших изменений напряженности лазерного поля (нарастание лазерного поля или стохастические флуктуации).

Синхронизацию моделей также можно начать, переместив оптимальный фокус с непрерывного режима работы на импульсный режим , одновременно изменяя плотность мощности, ударяя торцевое зеркало полости резонатора (хотя синхронно колеблющееся торцевое зеркало с пьезоэлектрическим креплением было бы более «под ключ»). '). Другие принципы включают в себя различные нелинейные эффекты, такие как насыщающиеся поглотители и насыщающиеся брэгговские отражатели, которые вызывают достаточно короткие импульсы, чтобы инициировать процесс керровского линзирования.

Modellocking – эволюция импульса

Изменения интенсивности с длиной наносекунд усиливаются за счет процесса линзирования Керра, а длина импульса еще больше сокращается для достижения более высокой напряженности поля в центре импульса. Этот процесс повышения резкости ограничивается только шириной полосы пропускания, достижимой при использовании лазерного материала и зеркал резонатора, а также дисперсией резонатора. Самый короткий импульс, достижимый с заданным спектром, называется импульсом с ограниченной полосой пропускания .

Технология чирпированного зеркала позволяет компенсировать несоответствие времени различных длин волн внутри резонатора из-за дисперсии материала, сохраняя при этом высокую стабильность и низкие потери.

линзе Керра и автофазовой модуляции Эффект Керра приводит к одновременной . В первом приближении их можно рассматривать как независимые эффекты.

Приложения

Поскольку синхронизация модели линзы Керра представляет собой эффект, который непосредственно реагирует на электрическое поле, время отклика достаточно быстрое, чтобы генерировать световые импульсы в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длиной менее 5 фемтосекунд . Благодаря высокой напряженности электрического поля сфокусированные ультракороткие лазерные лучи могут преодолевать порог в 10 ¹⁴ В см ⁻², что превосходит напряженность поля электрон-ионной связи в атомах.

Эти короткие импульсы открывают новую область сверхбыстрой оптики , которая представляет собой область нелинейной оптики , открывающую доступ к совершенно новому классу явлений, таким как измерение движения электронов в атоме (аттосекундные явления), генерация когерентного широкополосного света ( сверхширокие лазеры ) и тем самым появляется множество новых приложений в оптическом зондировании (например, когерентный лазерный радар, оптическая когерентная томография сверхвысокого разрешения ), обработке материалов и других областях, таких как метрология (чрезвычайно точная частота и время). измерения).

Ссылки и примечания

^ Вазири, МРР (15 декабря 2015 г.). «Комментарий к статье «Измерения нелинейной рефракции материалов методом муаровой дефлектометрии» ». Оптические коммуникации . 357 : 200–201. Бибкод : 2015OptCo.357..200R . дои : 10.1016/j.optcom.2014.09.017 .

Д.Е. Спенс, П.Н. Кин и В. Сиббетт, Опт. Летт. 16, 42 (1991).
М. Пиче, опт. Общий. 86, 156 (1991).
Б. Проктор, Э. Вествиг и Ф. Уайз, Опт. Летт. 18, 1654 (1993).
В. Магни, Г. Серулло и С. Де Сильвестри, Опт. Общий. 101, 365 (1993).

[1] Вазири, МРР (15 декабря 2015 г.). «Комментарий к статье «Измерения нелинейной рефракции материалов методом муаровой дефлектометрии» ». Оптические коммуникации . 357 : 200–201. Бибкод : 2015OptCo.357..200R . дои : 10.1016/j.optcom.2014.09.017 .

[ 1 ]