Синхронизация мод в лазерах
Принципиальные основы синхронизации мод
Синхронизация мод (mode locking) — это метод получения коротких световых импульсов из лазера за счёт когерентного наложения большого числа продольных мод резонатора с фиксированной фазовой связью между ними. Без синхронизации мод фазы колебаний в различных модах случайны, и излучение лазера в целом представляет собой непрерывное волновое поле. При синхронизации мод фазы между модами становятся согласованными, что приводит к интерференционному усилению в определённые моменты времени и, как следствие, к образованию регулярных, коротких импульсов.
Если синхронизированы N мод, то длительность импульса обратно пропорциональна спектральной ширине лазера:
$$ \tau_{\text{имп}} \sim \frac{1}{N \cdot \Delta\nu} $$
где Δν — частотный интервал между модами. Таким образом, для получения сверхкоротких импульсов необходимо возбудить как можно большее количество мод с равномерной фазовой связью.
Временная и спектральная интерпретации
Спектрально синхронизированное излучение представляет собой набор гармонически связанных частот, формирующих гребёнку спектральных линий. Временной профиль такого поля имеет форму пиков, повторяющихся с периодом, равным времени пробега света по резонатору:
$$ T_{\text{повт}} = \frac{2L}{c} $$
где L — длина резонатора, c — скорость света.
Синхронизация мод формирует в резонаторе не стоячее, а бегущее волновое поле в виде последовательности световых импульсов. Каждый импульс усиливается при многократном прохождении через активную среду.
Типы синхронизации мод
Существуют два основных подхода к реализации синхронизации мод:
1. Пассивная синхронизация мод
Этот метод основан на использовании нелинейных оптических элементов, изменяющих свои свойства в зависимости от интенсивности проходящего излучения.
Селф-модуляция добротности (Kerr-линза, насыщаемое поглощение):
При высоких интенсивностях происходит увеличение пропускания или уменьшение потерь в резонаторе.
Является самоорганизующимся процессом — импульсы формируются спонтанно и стабилизируются нелинейной средой.
Наиболее часто применяются:
Преимущества:
Недостатки:
2. Активная синхронизация мод
В этом случае внешнее периодическое воздействие (модуляция потерь или усиления) синхронизирует моды внутри резонатора.
Основные способы активной модуляции:
Особенности:
Преимущества:
Недостатки:
Генерация сверхкоротких импульсов
Число когерентно взаимодействующих мод может достигать нескольких тысяч. При этом формируются импульсы длительностью:
Длительность импульса приближённо оценивается как:
$$ \tau \approx \frac{0{,}44}{\Delta\nu} $$
при гауссовом спектральном профиле, где Δν — полуширина спектра на уровне половины мощности.
Условия эффективной синхронизации
Характеристики и параметры синхронизированных лазеров
Устройства и материалы для синхронизации
Применения
Синхронизация мод лежит в основе таких современных технологий, как:
Синхронизированные лазеры являются основой множества передовых измерительных и технологических систем, обеспечивая уникальное сочетание временного разрешения, точности и стабильности.