Modus-Verriegelung - Mode-locking

Für andere Verwendungen siehe Arnold-Zunge und Inharmonizität § Mode-Locking .

Modenkopplung ist eine Technik in der Optik, mit der ein Laser dazu gebracht werden kann, Lichtimpulse von extrem kurzer Dauer in der Größenordnung von Pikosekunden (10 –12  s) oder Femtosekunden (10 –15  s) zu erzeugen . Ein so betriebener Laser wird manchmal auch als Femtosekundenlaser bezeichnet , beispielsweise in der modernen refraktiven Chirurgie . Die Grundlage der Technik besteht darin, eine feste Phasenbeziehung zwischen den longitudinalen Moden des Resonanzhohlraums des Lasers zu induzieren . Eine konstruktive Interferenz zwischen diesen Moden kann dazu führen, dass das Laserlicht als Impulsfolge erzeugt wird. Der Laser wird dann als „phasengekoppelt“ oder „modengekoppelt“ bezeichnet.

Laser-Cavity-Modi

Struktur des Lasermodus
Ein modengekoppelter, vollständig reflektierender Resonator, der die ersten 30 Moden unterstützt. Das obere Diagramm zeigt die ersten 8 Moden innerhalb der Kavität (Linien) und das gesamte elektrische Feld an verschiedenen Positionen innerhalb der Kavität (Punkte). Das untere Diagramm zeigt das gesamte elektrische Feld innerhalb der Kavität.

Obwohl Laserlicht vielleicht die reinste Form von Licht ist, hat es keine einzige reine Frequenz oder Wellenlänge . Alle Laser erzeugen Licht über eine gewisse natürliche Bandbreite oder einen bestimmten Frequenzbereich. Die Betriebsbandbreite eines Lasers wird hauptsächlich durch das Verstärkungsmedium bestimmt, aus dem der Laser aufgebaut ist, und der Frequenzbereich, über den ein Laser arbeiten kann, ist als Verstärkungsbandbreite bekannt. Ein typischer Helium-Neon-Laser hat beispielsweise eine Verstärkungsbandbreite von etwa 1,5 GHz (ein Wellenlängenbereich von etwa 0,002  nm bei einer zentralen Wellenlänge von 633 nm), während ein titandotierter Saphir ( Ti:Saphir )-Festkörperlaser eine Bandbreite von etwa 128 THz (ein 300-nm-Wellenlängenbereich, der bei 800 nm zentriert ist).

Der zweite Faktor zur Bestimmung der Emissionsfrequenzen eines Lasers ist der optische Hohlraum (oder Resonanzhohlraum) des Lasers. Diese besteht im einfachsten Fall aus zwei einander zugewandten Planspiegeln , die das Verstärkungsmedium des Lasers umgeben (diese Anordnung wird als Fabry-Pérot- Kavität bezeichnet). Da Licht eine Welle ist , interferiert das Licht beim Aufprall zwischen den Spiegeln des Hohlraums konstruktiv und destruktiv mit sich selbst, was zur Bildung von stehenden Wellen oder Moden zwischen den Spiegeln führt. Diese stehenden Wellen bilden einen diskreten Satz von Frequenzen, die als Longitudinalmoden des Hohlraums bekannt sind. Diese Moden sind die einzigen Lichtfrequenzen, die sich selbst regenerieren und durch den Resonanzhohlraum schwingen können; alle anderen Lichtfrequenzen werden durch destruktive Interferenz unterdrückt. Für eine einfache Spiegelkavität sind die zulässigen Moden diejenigen, für die der Trennungsabstand der Spiegel L ein genaues Vielfaches der halben Wellenlänge des Lichts λ ist , so dass L = qλ /2 , wobei q eine ganze Zahl ist, die als bekannt ist die Modusreihenfolge.

In der Praxis ist L normalerweise viel größer als λ , daher sind die relevanten Werte von q groß (etwa 10 5 bis 10 6 ). Von größerem Interesse ist die Frequenztrennung zwischen zwei beliebigen benachbarten Moden q und q +1; dies ist (für einen leeren linearen Resonator der Länge L ) gegeben durch Δ ν :

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist (≈3×10 8 m·s –1 ).

Unter Verwendung der obigen Gleichung hat ein kleiner Laser mit einem Spiegelabstand von 30 cm einen Frequenzabstand zwischen den Longitudinalmoden von 0,5 GHz. Somit würde für die beiden oben genannten Laser mit einem 30-cm-Hohlraum die 1,5 GHz-Bandbreite des HeNe-Lasers bis zu 3 Longitudinalmoden unterstützen, während die 128 THz-Bandbreite des Ti:Saphir-Lasers ungefähr 250.000 Moden unterstützen könnte. Wenn mehr als eine Longitudinalmode angeregt wird, spricht man von einem "Multimode"-Betrieb des Lasers. Wenn nur eine Longitudinalmode angeregt wird, spricht man von einem "Single-Mode"-Betrieb des Lasers.

Jede einzelne Longitudinalmode hat eine gewisse Bandbreite oder einen engen Frequenzbereich, über den sie arbeitet, aber typischerweise ist diese Bandbreite, die durch den Q-Faktor (siehe Induktor ) des Resonators (siehe Fabry-Pérot-Interferometer ) bestimmt wird, viel kleiner als der Intermode-Frequenzabstand .

Modenkopplungstheorie

In einem einfachen Laser schwingt jede dieser Moden unabhängig voneinander, ohne feste Beziehung zueinander, im Wesentlichen wie ein Satz unabhängiger Laser, die alle Licht mit leicht unterschiedlichen Frequenzen emittieren. Die individuelle Phase der Lichtwellen in jedem Modus ist nicht festgelegt und kann aufgrund von Dingen wie thermischen Materialänderungen des Lasers zufällig variieren. Bei Lasern mit nur wenigen Schwingungsmoden, Interferenz zwischen den Moden verursachen kann schlagen Effekte in der Laserausgangsleistung, was zu Schwankungen in der Intensität; bei Lasern mit vielen Tausend Moden neigen diese Interferenzeffekte dazu, sich auf eine nahezu konstante Ausgangsintensität zu mitteln.

Wenn jede Mode, anstatt unabhängig zu schwingen, mit einer festen Phase zwischen ihr und den anderen Moden arbeitet, verhält sich die Laserleistung ganz anders. Anstelle einer zufälligen oder konstanten Ausgangsintensität interferieren die Moden des Lasers periodisch alle konstruktiv miteinander, wodurch ein intensiver Lichtstoß oder Lichtimpuls erzeugt wird. Ein solcher Laser wird als "mode-locked" oder "phase-locked" bezeichnet. Diese Impulse treten in der Zeit getrennt durch τ = 2 L / c , wobei τ die Zeit für das Licht , um genau eine Hin- und Rückfahrt des Laserresonators genommen ist. Diese Zeit entspricht einer Frequenz gleich genau auf den Modus des Laserabstand, & Dgr; & ngr; = 1 / τ .

Die Dauer jedes Lichtimpulses wird durch die Anzahl der Moden bestimmt, die in Phase schwingen (bei einem echten Laser ist es nicht notwendigerweise richtig, dass alle Moden des Lasers phasenstarr sind). Wenn es N Moden gibt, die mit einem Frequenzabstand gekoppelt sind , beträgt die gesamte modengekoppelte Bandbreite N Δ ν , und je breiter diese Bandbreite, desto kürzer ist die Pulsdauer vom Laser. In der Praxis wird die tatsächliche Pulsdauer durch die Form jedes Pulses bestimmt, die wiederum durch die genaue Amplituden- und Phasenbeziehung jeder Longitudinalmode bestimmt wird. Beispielsweise ist für einen Laser, der Pulse mit einer Gaußschen Zeitform erzeugt, die minimal mögliche Pulsdauer Δ t gegeben durch

Der Wert 0,441 ist als „Zeit-Bandbreiten-Produkt“ des Pulses bekannt und variiert je nach Pulsform. Für Ultrakurzpulslaser, eine hyperbolische Sekante- -squared (sech 2 ) Impulsform wird oft angenommen, ein Zeit-Bandbreite - Produkt von 0,315 ergibt.

Mit dieser Gleichung kann die minimale Pulsdauer in Übereinstimmung mit der gemessenen spektralen Breite des Lasers berechnet werden. Für den HeNe-Laser mit einer spektralen Breite von 1,5 GHz würde der kürzeste Gaußsche Puls, der mit dieser spektralen Breite übereinstimmt, etwa 300 Pikosekunden betragen; für den Ti:Saphir-Laser mit 128 THz Bandbreite würde diese spektrale Breite nur 3,4 Femtosekunden betragen. Diese Werte stellen die kürzesten möglichen Gaußschen Pulse dar, die mit der Linienbreite des Lasers übereinstimmen; in einem realen modengekoppelter Laser hängt die tatsächliche Impulsdauer von vielen anderen Faktoren, wie die tatsächlichen Impulsform und der Gesamtdispersion der Kavität.

Eine nachträgliche Modulation könnte prinzipiell die Pulsbreite eines solchen Lasers weiter verkürzen; allerdings würde dann die gemessene spektrale Breite entsprechend vergrößert.

Mode-Locking-Methoden

Verfahren zum Erzeugen von Modenkopplung in einem Laser können entweder als „aktiv“ oder „passiv“ klassifiziert werden. Aktive Verfahren beinhalten typischerweise die Verwendung eines externen Signals, um eine Modulation des hohlrauminternen Lichts zu induzieren . Passive Verfahren verwenden kein externes Signal, sondern beruhen darauf, dass ein Element in den Laserhohlraum eingebracht wird, was eine Selbstmodulation des Lichts bewirkt.

Aktive Modussperre

Die gebräuchlichste aktive Modenkopplungstechnik platziert einen elektrooptischen Stehwellenmodulator in der Laserkavität. Bei Ansteuerung mit einem elektrischen Signal erzeugt dies eine sinusförmige Amplitudenmodulation des Lichts in der Kavität. Betrachtet man dies im Frequenzbereich, so hat, wenn eine Mode eine optische Frequenz ν hat und bei einer Frequenz f amplitudenmoduliert wird , das resultierende Signal Seitenbänder bei optischen Frequenzen ν – f und ν + f . Wenn der Modulator mit der gleichen Frequenz wie der Hohlraummodenabstand Δ angesteuert wird , entsprechen diese Seitenbänder den zwei der ursprünglichen Mode benachbarten Hohlraummoden. Da die Seitenbänder gleichphasig angesteuert werden, werden die Zentralmode und die benachbarten Moden miteinander phasenverriegelt. Der weitere Betrieb des Modulators auf den Seitenbändern erzeugt Phasenhemmung des ν - 2 f und ν + 2 f Modi, und so weiter , bis alle Modi in der Verstärkungsbandbreite gesperrt sind. Wie oben erwähnt, sind typische Laser Multimode-Laser und werden nicht durch einen Root-Mode geimpft. Daher müssen mehrere Modi herausfinden, welche Phase verwendet werden soll. In einer passiven Kavität mit dieser angewendeten Verriegelung gibt es keine Möglichkeit, die Entropie, die durch die ursprünglichen unabhängigen Phasen gegeben ist, zu entleeren . Diese Verriegelung wird besser als Kupplung bezeichnet, die zu einem komplizierten Verhalten und nicht sauberen Impulsen führt. Die Kopplung ist aufgrund der dissipativen Natur der Amplitudenmodulation nur dissipativ. Andernfalls würde die Phasenmodulation nicht funktionieren.

Dieser Vorgang kann auch im Zeitbereich betrachtet werden. Der Amplitudenmodulator wirkt als schwacher "Verschluss" für das Licht, das zwischen den Spiegeln des Hohlraums reflektiert wird, dämpft das Licht, wenn es "geschlossen" ist, und lässt es durch, wenn es "offen" ist. Wenn die Modulationsfrequenz f in dem Hohlraum Umlaufzeit synchronisiert ist , τ , dann wird ein einzelner Lichtimpuls abprallen hin und her in dem Hohlraum. Die tatsächliche Stärke der Modulation muss nicht groß sein; Ein Modulator, der im "geschlossenen" Zustand 1 % des Lichts dämpft, wird einen Laser modensperren, da der gleiche Teil des Lichts beim Durchqueren des Resonators wiederholt gedämpft wird.

Bezogen auf diese Amplitudenmodulation (AM) ist die aktive Modenkopplung eine Frequenzmodulation (FM) Modenkopplung, die eine Modulatorvorrichtung verwendet, die auf dem akustooptischen Effekt basiert . Dieses Gerät induziert, wenn es in einem Laserhohlraum platziert und mit einem elektrischen Signal betrieben wird, eine kleine, sinusförmig variierende Frequenzverschiebung in dem durch es hindurchtretenden Licht. Wenn die Modulationsfrequenz an die Umlaufzeit des Resonators angepasst ist, sieht ein Teil des Lichts in dem Resonator wiederholte Frequenzhochschaltungen und einige wiederholte Herunterschaltungen. Nach vielen Wiederholungen wird das hoch- und heruntergeschaltete Licht aus der Verstärkungsbandbreite des Lasers herausgewobbelt. Das einzige unbeeinflusste Licht ist dasjenige, das den Modulator passiert, wenn die induzierte Frequenzverschiebung Null ist, was einen schmalen Lichtimpuls bildet.

Das dritte Verfahren der aktiven Modenkopplung ist die synchrone Modenkopplung oder das synchrone Pumpen. Dabei wird die Pumpquelle (Energiequelle) für den Laser selbst moduliert, wodurch der Laser effektiv ein- und ausgeschaltet wird, um Pulse zu erzeugen. Typischerweise ist die Pumpquelle selbst ein anderer modengekoppelter Laser. Diese Technik erfordert eine genaue Anpassung der Resonatorlängen des Pumplasers und des angetriebenen Lasers.

Passive Modusverriegelung

Passive Modenkopplungstechniken sind solche, die kein Signal außerhalb des Lasers (wie das Ansteuersignal eines Modulators) benötigen, um Pulse zu erzeugen. Stattdessen verwenden sie das Licht in der Kavität, um eine Änderung in einem hohlrauminternen Element zu bewirken, das dann selbst eine Änderung des hohlrauminternen Lichts erzeugt. Ein häufig verwendetes Gerät, um dies zu erreichen, ist ein sättigbarer Absorber .

Ein sättigbarer Absorber ist ein optisches Gerät, das eine intensitätsabhängige Transmission aufweist. Das bedeutet, dass sich das Gerät je nach Intensität des einfallenden Lichts unterschiedlich verhält. Für die passive Modenkopplung absorbiert ein sättigbarer Absorber idealerweise selektiv Licht geringer Intensität und lässt Licht mit ausreichend hoher Intensität durch. Wenn ein sättigbarer Absorber in einem Laserhohlraum platziert wird, schwächt er konstantes Wellenlicht niedriger Intensität (Pulsflügel) ab. Aufgrund der etwas zufälligen Intensitätsfluktuationen, die ein nicht modengekoppelter Laser erfährt, wird jedoch jede zufällige, intensive Spitze bevorzugt von dem sättigbaren Absorber übertragen. Wenn das Licht in der Kavität oszilliert, wiederholt sich dieser Vorgang, was zur selektiven Verstärkung der Spitzen hoher Intensität und zur Absorption des Lichts niedriger Intensität führt. Dies führt nach vielen Rundfahrten zu einer Impulsfolge und Modenkopplung des Lasers.

Betrachtet man dies im Frequenzbereich, wenn eine Mode eine optische Frequenz ν hat und bei einer Frequenz nf amplitudenmoduliert wird , hat das resultierende Signal Seitenbänder bei den optischen Frequenzen ν − nf und ν + nf und ermöglicht eine viel stärkere Modenkopplung für kürzere Pulse pulse und mehr Stabilität als aktive Modusverriegelung, hat aber Startprobleme.

Sättigbare Absorber sind üblicherweise flüssige organische Farbstoffe, können aber auch aus dotierten Kristallen und Halbleitern hergestellt werden . Halbleiterabsorber neigen zu sehr schnellen Reaktionszeiten (~100 fs), was einer der Faktoren ist, die die endgültige Dauer der Pulse in einem passiv modengekoppelten Laser bestimmen. Bei einem modengekoppelten Kollisionspulslaser macht der Absorber die Vorderflanke steiler, während das Lasermedium die Hinterflanke des Pulses steiler macht.

Es gibt auch passive Modenkopplungsschemata, die nicht auf Materialien beruhen, die direkt eine intensitätsabhängige Absorption zeigen. Bei diesen Verfahren werden nichtlineare optische Effekte in hohlrauminternen Komponenten verwendet, um ein Verfahren zum selektiven Verstärken von Licht hoher Intensität im Resonator und zum Abschwächen von Licht niedriger Intensität bereitzustellen. Eines der erfolgreichsten Verfahren wird Kerr-Linsen-Mode-Locking (KLM) genannt, manchmal auch als "self mode-locking" bezeichnet. Dabei wird ein nichtlinearer optischer Prozess verwendet, der optische Kerr-Effekt , der dazu führt, dass Licht hoher Intensität anders fokussiert wird als Licht geringer Intensität. Durch sorgfältige Anordnung einer Apertur in der Laserkavität kann dieser Effekt ausgenutzt werden, um das Äquivalent eines sättigbaren Absorbers mit ultraschneller Reaktionszeit zu erzeugen.

Hybrid Mode-Locking

Bei einigen Halbleiterlasern kann eine Kombination der beiden obigen Techniken verwendet werden. Unter Verwendung eines Lasers mit einem sättigbaren Absorber und Modulieren der elektrischen Injektion mit der gleichen Frequenz, bei der der Laser eingerastet ist, kann der Laser durch die elektrische Injektion stabilisiert werden. Dies hat den Vorteil, das Phasenrauschen des Lasers zu stabilisieren und kann den Zeitjitter der Pulse des Lasers reduzieren.

Modenkopplung durch Resthohlraumfelder

Ein kohärenter Phaseninformationstransfer zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen wurde auch bei Nanodrahtlasern beobachtet . Hier wurde die Phaseninformation im Restphotonenfeld kohärenter Rabi-Oszillationen in der Kavität gespeichert. Solche Erkenntnisse ebnen den Weg zur Phasenverriegelung von Lichtquellen, die in photonische Schaltkreise im Chip-Maßstab integriert sind, und Anwendungen, wie z. B. Ramsey-Kammspektroskopie auf dem Chip.

Sperren des Fourier-Domänenmodus

Hauptartikel: Sperren des Fourier-Domänenmodus

Die Fourier-Domain-Modenkopplung (FDML) ist eine Laser- Modenkopplungstechnik , die eine kontinuierliche Welle mit wellenlängengewobbeltem Licht erzeugt. Eine Hauptanwendung für FDML-Laser ist die optische Kohärenztomographie .

Praktische modengekoppelte Laser

In der Praxis beeinflussen eine Reihe von Designüberlegungen die Leistung eines modengekoppelten Lasers. Die wichtigsten sind die Gesamtdispersion des Lasers des optischen Resonators , der mit einem gesteuert werden kann Prismenkompressor in dem Hohlraum plaziert oder einigen dispersive Spiegel und optische Nichtlinearitäten . Für eine übermäßige Nettogruppenverzögerungsdispersion (GDD) des Laserresonators kann die Phase der Resonatormoden nicht über eine große Bandbreite verriegelt werden, und es wird schwierig sein, sehr kurze Pulse zu erhalten. Für eine geeignete Kombination von negativer (anomaler) Netto-GDD mit der Kerr-Nichtlinearität können Soliton- ähnliche Wechselwirkungen die Modenkopplung stabilisieren und helfen, kürzere Pulse zu erzeugen. Die kürzestmögliche Impulsdauer wird normalerweise entweder für eine Nulldispersion (ohne Nichtlinearitäten) oder für eine leicht negative (anomale) Dispersion (Ausnutzung des Soliton-Mechanismus) erreicht.

Die kürzesten direkt erzeugten optischen Pulse werden im Allgemeinen von modengekoppelten Ti-Saphir-Lasern mit Kerr-Linse erzeugt und sind ungefähr 5 Femtosekunden lang. Alternativ werden verstärkte Pulse ähnlicher Dauer durch die Kompression längerer (zB 30 fs) Pulse durch Selbstphasenmodulation in einer Hohlkernfaser oder während der Filamentierung erzeugt. Die minimale Pulsdauer ist jedoch durch die Periode der Trägerfrequenz begrenzt (die bei Ti:S-Systemen etwa 2,7 fs beträgt), daher erfordern kürzere Pulse eine Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen. Einige fortschrittliche Techniken (die die Erzeugung hoher Harmonischer mit verstärkten Femtosekunden-Laserpulsen beinhalten) können verwendet werden, um optische Merkmale mit einer Dauer von nur 100 Attosekunden im extremen ultravioletten Spektralbereich (dh < 30 nm) zu erzeugen . Andere, insbesondere für Laseranwendungen wichtige Errungenschaften betreffen die Entwicklung von modengekoppelten Lasern, die mit Laserdioden gepumpt werden können, sehr hohe mittlere Ausgangsleistungen (zehn Watt) in Sub-Pikosekunden-Pulsen erzeugen können oder Pulsfolgen mit extrem hohen Wiederholraten von vielen GHz.

Pulsdauern von weniger als etwa 100 fs sind zu kurz, um direkt mit optoelektronischen Techniken (zB Photodioden ) gemessen zu werden , daher indirekte Methoden wie Autokorrelation , frequenzaufgelöstes optisches Gating , spektrale Phaseninterferometrie zur direkten Rekonstruktion elektrischer Felder oder Multiphotonen-Intrapuls-Interferenzphase Scan verwendet werden.

Anwendungen

  • Kernfusion. ( Trägheitseinschluss-Fusion ).
  • Nichtlineare Optik , wie Erzeugung zweiter Harmonischer , parametrische Abwärtskonvertierung , optisch parametrische Oszillatoren und Erzeugung von Terahertz-Strahlung
  • Die optische Datenspeicherung verwendet Laser, und die aufkommende Technologie der optischen 3D-Datenspeicherung beruht im Allgemeinen auf nichtlinearer Photochemie. Aus diesem Grund verwenden viele Beispiele modengekoppelte Laser, da sie eine sehr hohe Wiederholrate ultrakurzer Pulse bieten können.
  • Femtosekundenlaser-Nanobearbeitung – Die kurzen Pulse können zur Nanobearbeitung in vielen Arten von Materialien verwendet werden.
  • Ein Beispiel für die Mikrobearbeitung im Pico- und Femtosekundenbereich ist das Bohren der Siliziumstrahloberfläche von Tintenstrahldruckern
  • Zwei-Photonen-Mikroskopie
  • Hornhautchirurgie (siehe refraktive Chirurgie ). Mit Femtosekundenlasern können Blasen in der Hornhaut erzeugt werden . Eine Blasenlinie kann verwendet werden, um einen Schnitt in der Hornhaut zu erzeugen, der das Mikrokeratom ersetzt , zB für die Erzeugung eines Flap in der LASIK- Chirurgie (dies wird manchmal als Intralasik oder All-Laser-Chirurgie bezeichnet). Blasen können auch in mehreren Schichten erzeugt werden, sodass ein Stück Hornhautgewebe zwischen diesen Schichten entfernt werden kann (ein Verfahren, das als Lentikelextraktion mit kleinem Schnitt bekannt ist ).
  • Es wurde eine Lasertechnik entwickelt, die die Oberfläche von Metallen tiefschwarz macht. Ein Femtosekunden-Laserpuls verformt die Oberfläche des Metalls und bildet Nanostrukturen . Die immens vergrößerte Oberfläche kann nahezu das gesamte einfallende Licht absorbieren und wird dadurch tiefschwarz. Dies ist eine Art von schwarzem Gold
  • Photonische Abtastung, die die hohe Genauigkeit von Lasern über elektronischen Uhren nutzt, um den Abtastfehler in elektronischen ADCs zu verringern

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links