قفل مدی

تعریف: دسته‌ای از روش‌ها که برای تولید پالس‌های فوق کوتاه در لیزر استفاده می‌شود.

قفل مدی روشی (یا در واقع گروهی از روش‌ها) برای به دست آوردن پالس‌های فوق کوتاه از لیزرها است، لیزرهای به کاربرده‌شده در این فرآیند لیزرهای قفل‌شده مدی نامیده می‌شوند. در اینجا، تشدیدگر لیزر شامل نوعی دستگاه قفل‌کننده مد است؛ یک عنصر فعال (یک مدولاتور نوری) یا یک عنصر غیرخطی غیرفعال (یک جاذب قابل اشباع)، باعث تشکیل یک پالس فوق کوتاه در حال رفت و برگشت در تشدیدگر لیزر می‌شود.

 

شکل 1:تولید یک قطار پالس در یک لیزر قفل شده با حالت غیرفعال. محیط بهره  تلفات را جبران می‌کند و آینه جاذب قابل اشباع (SA) تولید پالس را اعمال می کند. هر بار که پالس در گردش به آینه کوپلر خروجی (OC) برخورد می کند، یک پالس در خروجی ساطع می‌شود.

 

 

در حالت پایدار، اثرات مختلف موثر بر پالس گردشی در یک تعادل هستند به‌طوری که پارامترهای پالس پس از هر رفت و برگشت کامل، بدون تغییر، یا حتی اغلب آن‌ها در طول هر رفت و برگشت تقریبا ثابت هستند. هربار که پالس به آینه کوپلر[i] خروجی برخورد می‌کند، یک پالس قابل استفاده ساطع می‌شود، به‌طوری که یک قطار پالس[ii] معمولی، لیزر را ترک می‌کند (شکل 1). فرض کرده‌بودیم که یک پالس در گردش داریم، دوره تکرار پالس مربوط به زمان رفت و برگشت تشدیدگر (معمولا چندین نانوثانیه) است، در حالی‌که مدت زمان پالس بسیار کمتر است یعنی معمولا بین 30 فمتوثانیه و 30 پیکو ثانیه، در موارد شدیدتر تا 5 فمتوثانیه است. به همین دلیل، اوج توان لیزر مد قفل‌شده می‌تواند مرتبه‌ای بالاتر از توان متوسط باشد.

این گفتار بیشتر بر روی روش‌های قفل مدی و برخی از جنبه‌های اساسی تمرکز دارد، و جزئیات بیشتر را در مورد انواع مختلف لیزرهای قفل‌شده مدی در مطالبی دیگر ارایه می‌دهیم

قفل مدی فعال و غیرفعال

قفل‌شدگی مدی فعال

قفل مدی فعال شامل مدوله کردن دوره‌ای تلفات تشدیدگر یا تغییر فاز رفت و برگشت است که به‌عنوان مثال، با یک مدولاتور آکوستو-اپتیک[iii] یا الکترواپتیک، یک مدولاتور نوری یکپارچه Mach-Zehnder، یا یک مدولاتور جذب الکتریکی نیمه‌هادی به‌دست می‌آید. اگر مدولاسیون با رفت و برگشت تشدیدگر هماهنگ شود، این می‌تواند منجر به تولید پالس‌های فوق کوتاه، معمولاً با مدت زمان پالس پیکوثانیه شود. در بیشتر موارد، اما نه همه موارد، مدت زمان پالس به‌دست‌آمده توسط تعادل در کوتاه شدن پالس از طریق مدولاتور و گسترش پالس از طریق اثرات دیگر، مانند پهنای باند بهره محدود، کنترل می‌شود.

شکل 2:تنظیم شماتیک یک لیزر قفل شده با حالت فعال.

 

 

قفل شدگی مدی غیرفعال

قفل مدی غیرفعال (با یک جاذب قابل اشباع) امکان تولید پالس‌های بسیار کوتاه‌تر (فمتوثانیه‌ای) را فراهم می‌کند، اساساً به این دلیل که یک جاذب اشباع‌پذیر، که توسط پالس‌های از قبل کوتاه شده هدایت می‌شود، می‌تواند تلفات تشدیدگر را بسیار سریع‌تر از یک مدولاتور الکترونیکی تعدیل کند: هرچه پالس کوتاه‌تر شود، مدولاسیون تلفات سریع‌تر می‌شود، مشروط بر اینکه جذب‌کننده زمان بازیابی بسیار کوتاهی داشته‌باشد. مدت زمان پالس می‌تواند بسیار کمتر از زمان بازیابی جذب‌کننده باشد. در برخی موارد، مد خود راه اندازی[iv] قابل اعتماد به دست نمی آید.

شکل 3:تنظیم شماتیک یک لیزر قفل شده با حالت غیرفعال.

 

 

قفل مدی هیبریدی

در برخی از لیزرها (به ویژه در لیزر دایودهای قفل شده) مد فعال و غیرفعال قفل‌شده به‌طور همزمان اعمال می‌شود. این لیزرهای قفل شده با حالت هیبریدی برخی از مزایای کلیدی مانند نرخ تکرار پالس کنترل‌شده خارجی و پالس‌های نسبتاً کوتاه را با هم ترکیب می‌کنند.

 

منشأ اصطلاح “قفل مدی”

اصطلاح قفل مدی از توصیفی در حوزه فرکانس سرچشمه می‌گیرد: یک پالس کوتاه در تشدیدگر لیزری زمانی که یک رابطه فاز ثابت بین مد‌های طولی، یا به طور دقیق‌تر، بین خطوط آن در طیف خروجی لیزر به دست می‌آید، تشکیل می‌شود. با این حال، مکانیسم‌های اساسی که منجر به قفل مدی می‌شوند معمولاً در حوزه زمان بسیار آسان‌تر قابل درک هستند. همچنین، مفهوم مدهای تشدیدگر تحت تأثیر آثار غیرخطی‌ نوری قوی زیر سوال می‌رود. به بیان دقیق، حتی اگر این خطوط به مد‌های تشدیدگر مرتبط باشند، حتی توصیه نمی‌شود که از اصطلاح مد‌ها برای خطوط در طیف لیزر قفل شده استفاده کنید.

در نظر گرفتن ایجاد یک قطار پالس تناوبی با برهم نهی نوسانات سینوسی (شکل 4) با فرکانس‌های مساوی، مربوط به مدهای تشدیدگر محوری متفاوت در لیزر قفل شده، برای آموختن مطلب مفید است. هر چه تعداد مولفه‌های فرکانس درگیر بیشتر باشد، مدت زمان پالس‌های تولید شده کوتاه‌تر خواهد بود.

شکل 4:سنتز یک قطار پالس تناوبی (منحنی قرمز) با اضافه کردن هفت نوسان با فرکانس های کمی متفاوت اما مساوی (منحنی های آبی). خطوط عمودی نقاطی در زمان را نشان می دهند که در آن تمام نوسانات در فاز جمع می شوند.

 

 

یک جنبه مهم این است که باید یک رابطه فاز ثابت بین این مدها وجود داشته باشد. این موضوع در شکل 5 نشان داده شده است: منحنی آبی یک قطار پالسی با یک رابطه فاز ثابت را نشان می‌دهد، به‌طوری که در موقعیت‌های زمانی منظم (مثلاً در t = 0) میدان‌های الکتریکی تمام اجزای فرکانس حداکثر به اندازه توان میدان کل می‌شوند. منحنی قرمز میدان الکتریکی را برای توان یکسان تمام اجزای فرکانس، اما با فازهای نسبی تصادفی نشان می‌دهد.

شکل 5:تکامل زمانی میدان درون کاواکی در لیزر، یک بار با یک رابطه فاز ثابت بین حالت ها (حالت قفل حالت)، یک بار با فازهای تصادفی.

 

 

توضیحات و نمودارهای بالا در یک مسئله جزئی مهم ساده شده اند: فرض شده است که تمام فرکانس‌های نوری درگیر مضرب صحیح فرکانس تکرار پالس هستند. در واقع، به طور کلی چنین است که هر فرکانس علاوه بر این با مقدار معینی جابه‌جا می‌شود که فرکانس آفست پوش حامل  [v]نامیده می‌شود. سپس یک قطار پالس دوره‌ای از نظر شدت دریافت می‌کند، اما فاز نوری در حداکثر پالس که به‌طور مداوم تکامل می یابد، تغییر می‌کند.

 

دستگاه‌های قفل مدی

عملکرد بهینه قفل مدی به وجود یک طراحی لیزری که به خوبی کار شده باشد، بستگی دارد ؛ از جمله انتخاب یک دستگاه قفل مدی مناسب، مانند نوعی مدولاتور یا یک جاذب قابل اشباع مورد نیاز است.

 

 

 

[i]output coupler: آینه‌های لیزری نیمه شفاف که برای استخراج پرتوهای خروجی از تشدیدکننده های لیزر استفاده می‌شود.

[ii]  pulse train:توالی منظم پالس ها

[iii]  acousto-optic:مدوله کننده های نوری بر اساس اثر آکوستو-اپتیک

[iv]  self-starting mode locking:قفل مدی که به سرعت پس از روشن کردن لیزر و بدون دخالت خارجی به دست می‌آید.

[v] carrier–envelope offset انحراف بین فاز نوری و حداکثر پوشش موج یک پالس نوری