پایاسازی لیزرها[۱]
برای تثبیت عملکرد لیزرها و بهبود پایداری توان خروجی، فرکانس نوری و دیگر کمیت های لیزر از تدابیر و روش های مختلفی بهره گیری می شود. گونه های متنوعی از نوفه[۲] لیزری در هنگام عملکرد لیزرها مشاهده می شود که می تواند در کاربرد آن‌ها اختلال ایجاد کند. از این رو استفاده از روش هایی که نوفه را کاهش داده و پارامترهای خاص لیزر را پایا کند، ضروری به نظر می رسد. رویکردهای مختلفی برای پایاسازی عملکرد لیزرها اعم از فعال[۳] و منفعل[۴] وجود دارد که در ادامه به بررسی آن‌ها می پردازیم.
پایاسازی لیزری فعال
رویکردهای پایدارسازی فعال به طور معمول با بهره گیری از یک سیستم بازخورد[۵] الکترونیکی (و یا گاهی سیستم های پیشرو[۶]) صورت می گیرد و افت و خیزهای پارامترهای مربوطه را به سیگنال الکترونی تبدیل می کند که برای اصلاح عملکرد لیزر مورد استفاده قرار می گیرد. بعنوان مثال:
- می توان خروجی یک لیزر را با رویکردی که در شکل ۱ نشان داده شده است، تثبیت نمود. توان لیزر توسط یک فوتودیود دیده بانی و از طریق کنترل توان پمپ یا اتلاف درونی و بیرونی تشدیدگر لیزری اصلاح می شود. در این راستا، هم اسپایک[۷] بعد از روشن کردن لیزر (وقتی که توان پمپ لیزر ناگهان روشن می شود، توان خروجی لیزر چندین اسپایک از خود نشان می دهد. اسپایک ها پالس های پرانرژی هستند) و هم شدت نوفه در شرایط حالت پایا[۸] کاهش می یابد. توجه داشته باشید که می توان به جای کار بر روی لیزر، پرتوی خروجی را جهت کاهش شدت نوفه تنظیم کرد.
شکل ۱- لیزر حالت جامد با پمپاژ دیودی همراه با سیستم بازخورد الکترونیک جهت پایاسازی توان خروجی
- فرکانس نوری یک لیزر تک فرکانس، یا فرکانس خطی از شانه ی فرکانسی یک لیزر قفل مدی را می توان با تنظیم طول تشدیدگر تثبیت کرد. سیگنال بازخورد را می توان با ثبت یک نت ضربانی[۹] (نوسان شدت نور ناشی از برهم نهش نور با فرکانس های نوری متفاوت) با استفاده از یک لیزر ثانویه، اندازه گیری عبور یا بازتاب یک کاواک مرجع پایدار یا یک تداخل سنج، اندازه گیری میزان عبور از یک سلول گازی و یا در صورت امکان با استفاده از طیف سنجی جذب لیزری بدون دوپلر، به دست آورد. روش معمول برای تولید سیگنال خطا با استفاده از یک کاواک مرجع، روشی موسوم به Pound–Drever–Hall است که برای این منظور از مدولاسیون فاز ضعیف نور ارسالی به کاواک مرجع، استفاده می کند. رویکردی که در آن نیازی به بهره گیری از چنین مدولاسیونی نیست، روش Hänsch–Couillaud نامیده می شود.
- پایاسازی فرکانس یا فاز آفست پوش حامل[۱۰] یک لیزر قفل مدی می تواند بر اساس اندازه گیری فاز با یک تداخل‌سنج f−۲f انجام شود و بازخورد آن از طریق گوه یا آینه های زاویه دار (کج) در تشدیدکننده های لیزری به دست می آید. این روش پایاسازی برای اندازه گیری فرکانس بسیار حائز اهمیت است.
- زمان بندی پالس ها (لرزش زمانی[۱۱]) یک لیزر قفل مدی را می توان با مقایسه فازهای یک سیگنال فوتودیود و یک نوسانگر مرجع الکترونیکی دیده بانی و با تنظیم طول کاواک آن پایدار کرد.
- پایاسازی راستای اشاره باریکه خروجی با اندازه گیری مکان باریکه (بعنوان مثال با یک فوتودیود چهار-ربعی) انجام می شود و تصحیح آن با استفاده از آینه های تشدیدگری که با پیزو کنترل می شوند، صورت می گیرد.
پایایی با استفاده از سیستم های فعالی که بدان پرداخته شد، به عواملی مانند نوفه فوتودیود، پهنای باند اجزای کنترل، طراحی الکترونیک بازخورد و پایداری مراجع استاندارد (مانند کاواک های مرجع نوری) بستگی دارد.
پایاسازی لیزری منفعل
در رویکردهای منفعلی خبری از ادوات الکترونیکی نیست و تنها بر مبنای اثرات اپتیکی عمل می شود.
- فرکانس یک لیزر را می توان با استفاده از بازخورد نوری یک کاواک مرجع پایدار، تثبیت کرد. این روش را می توان با بهره گیری از یک تشدیدگر لیزری گسترده (نوعی کاواک ترکیبی) نیز در نظر گرفت.
- همزمان سازی دو لیزر قفل مدی نیز از طریق مدولاسیون فاز متقاطع[۱۲] در یک محیط کر که پالس های درون کاواکی لیزرها با هم برخورد می کنند، امکان‌پذیر است.
همچنین فرکانس نوری یک لیزر را می توان با قفل تزریقی (بعنوان مثال ارسال یک باریکه با فرکانس نوری بسیار پایدار از لیزر دیگری) پایا کرد.
[۱] Stabilization of Lasers
[۲] Noise
[۳] Active
[۴] Passive
[۵] Feedback
[۶] Feedforward
[۷] Spike
[۸] Steady-State Conditions
[۹] Beat note
[۱۰] Carrier-Envelope Offset (CEO Stabilization)
[۱۱] Timing Jitter
[۱۲] Cross-Phase Modulation