Weise-Blockierung ist eine Technik in der Optik, durch die ein Laser gemacht werden kann, Pulse des Lichtes der äußerst kurzen Dauer, auf der Ordnung von picoseconds (10 s) oder Femtosekunden (10 s) zu erzeugen.

Die Basis der Technik soll eine feste Phase-Beziehung zwischen den Weisen der widerhallenden Höhle des Lasers veranlassen. Wie man dann gesagt wird, ist der Laser phasenstarr oder Weise-geschlossen. Die Einmischung zwischen diesen Weisen veranlasst das Laserlicht, als ein Zug von Pulsen erzeugt zu werden. Abhängig von den Eigenschaften des Lasers können diese Pulse der äußerst kurzen Dauer, mindestens ein paar Femtosekunden sein.

Laserhöhle-Weisen

Obwohl Laserlicht vielleicht die reinste Form des Lichtes ist, ist es nicht von einer einzelnen, reinen Frequenz oder Wellenlänge. Alle Laser erzeugen Licht über eine natürliche Bandbreite oder Reihe von Frequenzen. Eine Bandbreite eines Lasers der Operation ist

bestimmt in erster Linie durch das Gewinn-Medium, dass der Laser von, und die Reihe von Frequenzen gebaut wird, die ein Laser bedienen kann, ist als die Gewinn-Bandbreite bekannt. Zum Beispiel, ein typisches Helium-Neon (HeNe) Gaslaser hat eine Gewinn-Bandbreite von etwa 1.5 GHz (ein Wellenlangenbereich von ungefähr 0.002 nm an einer Hauptwellenlänge von 633 nm), wohingegen ein Titan-lackierter Saphir (Ti:Sapphire) Halbleiterlaser eine Bandbreite von ungefähr 128 THz hat (hat ein 300 nm Wellenlangenbereich ungefähr 800 nm in den Mittelpunkt gestellt).

Der zweite Faktor, der Emissionsfrequenzen eines Lasers bestimmt, ist die optische Höhle oder widerhallende Höhle des Lasers. Im einfachsten Fall besteht das aus zwei Flugzeug (Wohnung) Spiegel, die einander ins Gesicht sehen, das Gewinn-Medium des Lasers umgebend (ist diese Einordnung als eine Fabry-Pérot Höhle bekannt). Da Licht eine Welle ist, wenn es zwischen den Spiegeln der Höhle springt, die das Licht selbst konstruktiv und zerstörend stören wird, zur Bildung von stehenden Wellen oder Weisen zwischen den Spiegeln führend.

Diese stehenden Wellen bilden einen getrennten Satz von Frequenzen, die als die Längsweisen der Höhle bekannt sind. Diese Weisen sind die einzigen Frequenzen des Lichtes, die sich selbstregenerieren und erlaubt, durch die widerhallende Höhle zu schwingen; alle anderen Frequenzen des Lichtes werden durch die zerstörende Einmischung unterdrückt. Für eine einfache Höhle des Flugzeug-Spiegels sind die erlaubten Weisen diejenigen, für die die Trennungsentfernung der Spiegel L ein genaues Vielfache der Hälfte der Wellenlänge des Lichtes λ, solch das ist, wo q eine als die Weise-Ordnung bekannte ganze Zahl ist.

In der Praxis ist die Trennungsentfernung der Spiegel L gewöhnlich viel größer als die Wellenlänge des Lichtes λ, so sind die relevanten Werte von q (ungefähr 10 bis 10) groß. Von mehr Interesse ist die Frequenztrennung zwischen irgendwelchen zwei angrenzenden Verfahren q und q+1; das wird (für einen leeren geradlinigen Resonator der Länge L) durch Δν gegeben:

wo c die Geschwindigkeit des Lichtes ist (3×10 M · s).

Mit der obengenannten Gleichung hat ein kleiner Laser mit einer Spiegeltrennung von 30 Cm eine Frequenztrennung zwischen Längsweisen von 0.5 GHz. So für die zwei Laser, die oben mit einer 30-Cm-Höhle Verweise angebracht sind, würde die 1.5 GHz Bandbreite des Lasers von HeNe bis zu 3 Längsweisen unterstützen, wohingegen die 128 THz Bandbreite des Ti:sapphire Lasers etwa 250,000 Weisen unterstützen konnte. Wenn mehr als eine Längsweise aufgeregt ist, wie man sagt, ist der Laser in der "Mehrweise"-Operation. Wenn nur eine Längsweise aufgeregt ist, wie man sagt, ist der Laser in der Operation "der einzelnen Weise".

Jede individuelle Längsweise hat selbst eine Bandbreite oder schmale Reihe von Frequenzen, über die es funktioniert, aber normalerweise diese Bandbreite, die durch den Q Faktor bestimmt ist (sieh Induktor) der Höhle (sieh Fabry-Pérot interferometer), ist viel kleiner als die Zwischenweise-Frequenztrennung.

Weise schließende Theorie

In einem einfachen Laser wird jede dieser Weisen unabhängig, ohne feste Beziehung zwischen einander, hauptsächlich wie eine Reihe unabhängiger Laser das ganze Ausstrahlen-Licht an ein bisschen verschiedenen Frequenzen schwingen. Die individuelle Phase der leichten Wellen in jeder Weise wird nicht befestigt, und kann sich zufällig wegen solcher Dinge wie Thermaländerungen in Materialien des Lasers ändern. In Lasern mit nur einigen schwingenden Weisen kann die Einmischung zwischen den Weisen schlagende Effekten in der Laserproduktion verursachen, zu zufälligen Schwankungen in der Intensität führend; in Lasern mit vielen tausend von Weisen neigen diese Einmischungseffekten dazu, zu einer nah-unveränderlichen Produktionsintensität im Durchschnitt zu betragen, und die Laseroperation ist als ein c.w. oder dauernde Welle bekannt.

Wenn, anstatt unabhängig zu schwingen, jede Weise mit einer festen Phase dazwischen und den anderen Weisen funktioniert, benimmt sich die Laserproduktion ganz verschieden. Statt einer zufälligen oder unveränderlichen Produktionsintensität werden die Weisen des Lasers regelmäßig alle einander konstruktiv stören, ein intensives Platzen oder Puls des Lichtes erzeugend. Wie man sagt, wird solch ein Laser Weise-geschlossen oder phasenstarr. Diese Pulse kommen getrennt rechtzeitig dabei vor, wo τ die für das Licht genommene Zeit ist, um genau eine Hin- und Rückfahrt der Laserhöhle zu machen. Diese Zeit entspricht einer dem Weise-Abstand des Lasers genau gleichen Frequenz.

Die Dauer jedes Pulses des Lichtes wird durch die Zahl von Weisen bestimmt, die in der Phase schwingen (in einem echten Laser, ist es nicht notwendigerweise wahr, dass alle Weisen des Lasers phasenstarr sein werden). Wenn es N Weisen gibt, die mit einer Frequenztrennung Δν geschlossen sind, ist die gesamte Weise-geschlossene Bandbreite NΔν, und je breiter diese Bandbreite, desto kürzer die Pulsdauer vom Laser. In der Praxis wird die wirkliche Pulsdauer durch die Gestalt jedes Pulses bestimmt, der der Reihe nach durch den genauen Umfang und die Phase-Beziehung jeder Längsweise bestimmt wird. Zum Beispiel, für ein Laserproduzieren Pulse mit Gaussian zeitliche Gestalt, wird die minimale mögliche Pulsdauer Δt durch gegeben

Der Wert 0.441 ist als das Zeitbandbreite-Produkt des Pulses bekannt, und ändert sich abhängig von der Pulsgestalt. Für Ultrakurzpulslaser wird eine "Hyperbelsekante kariert" (sech) Pulsgestalt häufig angenommen, ein Zeitbandbreite-Produkt 0.315 gebend.

Mit dieser Gleichung können wir die minimale mit der gemessenen geisterhaften Laserbreite im Einklang stehende Pulsdauer berechnen. Für den Laser von HeNe mit einer 1.5 GHz geisterhaften Breite würde der kürzeste mit dieser geisterhaften Breite im Einklang stehende Puls von Gaussian ungefähr 300 picoseconds sein; für die 128 THz Bandbreite Ti:sapphire Laser würde diese geisterhafte Breite nur 3.4 Femtosekunden sein. Diese Werte vertreten die kürzestmöglichen mit dem linewidth des Lasers im Einklang stehenden Pulse von Gaussian; in einem echten Weise-geschlossenen Laser hängt die wirkliche Pulsdauer von vielen anderen Faktoren, wie die wirkliche Pulsgestalt und die gesamte Streuung der Höhle ab.

Es sollte bemerkt werden, dass nachfolgende Modulation im Prinzip die Pulsbreite solch eines Lasers weiter verkürzen konnte, jedoch würde die gemessene geisterhafte Breite dann entsprechend vergrößert.

Weise schließende Methoden

Methoden, um Weise-Blockierung in einem Laser zu erzeugen, können entweder als aktiv oder als passiv klassifiziert werden. Aktive Methoden schließen normalerweise das Verwenden eines Außensignals ein, eine Modulation des Intrahöhle-Lichtes zu veranlassen. Passive Methoden verwenden kein Außensignal, aber verlassen sich auf das Stellen eines Elements in die Laserhöhle, die Selbstmodulation des Lichtes verursacht.

Aktive Weise-Blockierung

Die allgemeinste aktive Weise schließende Technik legt eine stehende Welle Acousto-Seh-

Modulator in die Laserhöhle. Wenn gesteuert, mit einem elektrischen Signal erzeugt das eine sinusförmige Umfang-Modulation des Lichtes in der Höhle. Wenn es das im Frequenzgebiet denkt, wenn eine Weise optische Frequenz ν hat, und an einer Frequenz f Umfang-abgestimmt wird, hat das resultierende Signal Seitenfrequenzbänder an optischen Frequenzen und. Wenn der Modulator an derselben Frequenz wie der Abstand der Höhle-Weise Δν gesteuert wird, dann entsprechen diese Seitenfrequenzbänder den zwei Höhle-Weisen neben der ursprünglichen Weise. Da die Seitenfrequenzbänder inphasigem gesteuert werden, werden die Hauptweise und die angrenzenden Weisen zusammen phasenstarr sein. Die weitere Operation des Modulators auf den Seitenfrequenzbändern erzeugt Phase-Blockierung und Weisen und so weiter, bis alle Weisen in der Gewinn-Bandbreite geschlossen werden. Wie gesagt, oben sind typische Laser Mehrweise und nicht entsamt durch eine Wurzelweise. So müssen vielfache Weisen der Phase gut laufen zu verwenden. In einer passiven Höhle mit dieser angewandten Blockierung gibt es keine Weise, das durch die ursprünglichen unabhängigen Phasen gegebene Wärmegewicht abzuladen. Diese Blockierung wird als eine Kopplung besser beschrieben, zu einem komplizierten Verhalten und nicht sauberen Pulsen führend. Die Kopplung ist nur dissipative wegen der dissipative Natur der Umfang-Modulation. Sonst würde die Phase-Modulation nicht arbeiten.

Dieser Prozess kann auch im Zeitabschnitt betrachtet werden. Der Umfang-Modulator handelt als ein schwacher Verschluss zum leichten Aufprallen zwischen den Spiegeln der Höhle, das Vermindern des Lichtes, wenn es, und das Lassen davon durch "geschlossen" wird, wenn es "offen" ist. Wenn die Modulationsrate f zur Höhle-Rückfahrzeit τ synchronisiert wird, dann wird ein einzelner Puls des Lichtes hin und her in der Höhle springen. Die erreichte Festigkeit der Modulation muss nicht groß sein; ein Modulator, der 1 % des Lichtes, wenn "geschlossen", verdünnt, wird Weise-Schloss ein Laser, da derselbe Teil des Lichtes wiederholt verdünnt wird, wie es die Höhle überquert.

Verbunden mit dieser Umfang-Modulation (AM) ist aktive Weise-Blockierung Weise-Blockierung der Frequenzmodulation (FM), die ein auf der Electro-Sehwirkung gestütztes Modulator-Gerät verwendet. Dieses Gerät, wenn gelegt, in eine Laserhöhle und gesteuert mit einem elektrischen Signal, veranlasst eine kleine, sinusförmig unterschiedliche Frequenzverschiebung im Licht, das es durchführt. Wenn die Frequenz der Modulation zur Rückfahrzeit der Höhle verglichen wird, dann sieht ein Licht in der Höhle wiederholte-Verschiebungen in der Frequenz und einige wiederholte Unten-Verschiebungen. Nach vielen Wiederholungen wird das ausgewechselte und unten ausgewechselte Licht aus der Gewinn-Bandbreite des Lasers gekehrt. Das einzige Licht, das ungekünstelt ist, ist dass, der den Modulator durchführt, wenn die veranlasste Frequenzverschiebung Null ist, die einen schmalen Puls des Lichtes bildet.

Die dritte Methode der aktiven Weise-Blockierung ist gleichzeitige Weise-Blockierung oder das gleichzeitige Pumpen. Darin wird die Pumpe-Quelle (Energiequelle) für den Laser selbst abgestimmt, effektiv den Laser einschaltend, und von, Pulse zu erzeugen. Gewöhnlich ist die Pumpe-Quelle selbst ein anderer Weise-geschlossener Laser. Diese Technik verlangt genau das Zusammenbringen der Höhle-Längen des Pumpe-Lasers und des gesteuerten Lasers.

Passive Weise-Blockierung

Passive Weise schließende Techniken sind diejenigen, die nicht verlangen, dass ein Signal, das zum Laser (wie das Fahrsignal eines Modulators) äußerlich ist Pulse erzeugt. Eher verwenden sie das Licht in der Höhle, um eine Änderung in einem Intrahöhle-Element zu verursachen, das dann selbst eine Änderung im Intrahöhle-Licht erzeugen wird. Ein allgemein verwendetes Gerät, um das zu erreichen, ist ein saturable Absorber.

Ein saturable Absorber ist ein optisches Gerät, das eine von der Intensität abhängige Übertragung ausstellt. Was das bedeutet, ist, dass sich das Gerät verschieden abhängig von der Intensität des Lichtes benimmt, das es durchführt. Für die passive Weise-Blockierung ideal wird ein saturable Absorber Licht der niedrigen Intensität auswählend absorbieren, und Licht übersenden, das der genug hohen Intensität ist.

Wenn gelegt, in eine Laserhöhle wird ein saturable Absorber niedrige Intensität unveränderliches Welle-Licht (Pulsflügel) verdünnen. Jedoch, wegen der etwas zufälligen durch einen un-mode-locked Laser erfahrenen Intensitätsschwankungen, wird jede zufällige, intensive Spitze bevorzugt durch den saturable Absorber übersandt. Weil das Licht in der Höhle, dieser Prozess Wiederholungen schwingt, zur auswählenden Erweiterung der Spitzen der hohen Intensität und der Absorption des Lichtes der niedrigen Intensität führend. Nach vielen Hin- und Rückfahrten führt das zu einem Zug von Pulsen und Weise-Blockierung des Lasers.

das im Frequenzgebiet denkt, wenn eine Weise optische Frequenz ν hat, und an einer Frequenz nf Umfang-abgestimmt wird, hat das resultierende Signal Seitenfrequenzbänder an optischen Frequenzen und und ermöglicht viel stärkere Weise-Blockierung für kürzere Pulse und mehr Stabilität als aktive Weise-Blockierung, aber hat Anlauf-Probleme.

Absorber von Saturable sind allgemein flüssige organische Färbemittel, aber sie können auch von lackierten Kristallen und Halbleitern gemacht werden. Halbleiter-Absorber neigen dazu, sehr schnelle Ansprechzeiten auszustellen (~100 fs), der einer der Faktoren ist, der die Enddauer der Pulse in einem passiv Weise-geschlossenen Laser bestimmt. In einem Kollidieren-Puls Weise-geschlossener Laser macht der Absorber das Blei steil, während das faulenzende Medium die Hinterkante des Pulses steil macht.

Insbesondere graphene kann über das sichtbare zum Nah-Infrarotgebiet gesättigt werden, und es hat einen kleineren non-saturable Verlust und höhere Schadensschwelle im Vergleich zu SWCNTs.

Es gibt auch passive Weise schließende Schemas, die sich auf Materialien nicht verlassen, die direkt eine Intensitätsabhängiger-Absorption zeigen. In diesen Methoden werden nichtlineare optische Effekten in Intrahöhle-Bestandteilen verwendet, um eine Methode des auswählend ausführlicher erläuternden Lichtes der hohen Intensität in der Höhle und Verdünnung des Lichtes der niedrigen Intensität zur Verfügung zu stellen. Eines der erfolgreichsten Schemas wird Kerr-Linse-Weise-Blockierung (KLM), auch manchmal genannt "selbst Weise-Blockierung" genannt. Das verwendet einen nichtlinearen optischen Prozess, die optische Wirkung von Kerr, die auf Licht der hohen Intensität hinausläuft, das verschieden wird einstellt als Licht der niedrigen Intensität. Durch die sorgfältige Einordnung einer Öffnung in der Laserhöhle kann diese Wirkung ausgenutzt werden, um die Entsprechung einer ultraschnellen Ansprechzeit saturable Absorber zu erzeugen.

Hybride Weise-Blockierung

In einigen Halbleiter-Lasern kann eine Kombination der zwei über Techniken verwendet werden. Mit einem Laser mit einem saturable Absorber, und die elektrische Einspritzung an derselben Frequenz abstimmend, an der der Laser geschlossen wird, kann der Laser durch die elektrische Einspritzung stabilisiert werden. Das ist im Vorteil, das Phase-Geräusch des Lasers zu stabilisieren, und kann den Timing-Bammel der Pulse vom Laser reduzieren.

Praktische Weise-geschlossene Laser

In der Praxis betreffen mehrere Designrücksichten die Leistung eines Weise-geschlossenen Lasers. Die wichtigsten sind die gesamte Streuung des optischen Resonators des Lasers, der mit einem Prisma-Kompressor oder einigen dispersive Spiegeln kontrolliert werden kann, die in die Höhle und optischen Nichtlinearitäten gelegt sind. Für die übermäßige Gruppenlaufzeit-Nettostreuung (GDD) der Laserhöhle kann die Phase der Höhle-Weisen nicht über eine große Bandbreite geschlossen werden, und es wird schwierig sein, sehr kurze Pulse zu erhalten. Für eine passende Kombination von negativem (anomalem) Netto-GDD mit der Nichtlinearität von Kerr können soliton ähnliche Wechselwirkungen die Weise-Blockierung stabilisieren und helfen, kürzere Pulse zu erzeugen. Die kürzestmögliche Pulsdauer wird gewöhnlich irgendein für die Nullstreuung (ohne Nichtlinearitäten) oder für eine ein bisschen negative (anomale) Streuung vollbracht (den soliton Mechanismus ausnutzend).

Die kürzesten direkt erzeugten optischen Pulse werden allgemein durch die Kerr-Linse Weise-geschlossene Ti-Saphir-Laser erzeugt und sind ungefähr 5 Femtosekunden lang. Wechselweise werden verstärkte Pulse einer ähnlichen Dauer durch die Kompression von längeren (z.B 30 fs) Pulse über die Selbstphase-Modulation in einer hohlen Kernfaser oder während filamentation geschaffen. Jedoch wird die minimale Pulsdauer durch die Periode der Transportunternehmen-Frequenz beschränkt (der ungefähr 2.7 fs für Ti:S Systeme ist), deshalb verlangen kürzere Pulse das Bewegen zu kürzeren Wellenlängen. Einige fortgeschrittene Techniken (hoch harmonische Generation mit verstärkten Femtosekunde-Laserpulsen einschließend), können verwendet werden, um optische Eigenschaften mit Dauern mindestens 100 attoseconds im äußersten ultravioletten geisterhaften Gebiet zu erzeugen (d. h.

• Photonic Stichprobenerhebung, mit der hohen Genauigkeit von Lasern über elektronische Uhren, um den Stichprobenfehler in elektronischem ADCs zu vermindern

Weiterführende Literatur

Siehe auch

• Faser-Laser
• Plattenlaser
• Laseraufbau
• Soliton
• Vektor soliton
• Dissipative soliton
• Absorption von Saturable
• Laser des festen Zustands
• Femtotechnology

Weitere Verweisungen

• H. Zhang und al, "Veranlasster solitons, der durch die böse Polarisationskopplung in einem birefringent Höhle-Faser-Laser gebildet ist," Wählen. Lette. 33, 2317-2319. (2008).
• D.Y. Tang und al, "Beobachtung der hohen Ordnung gePolarisationsschlossener Vektor solitons in einem Faser-Laser", Physische Rezensionsbriefe, 101, 153904 (2008).
• http://www.batop.com/index.html
• H. Zhang u. a., "Zusammenhängende Energie ist zwischen Bestandteilen eines Vektoren soliton in Faser-Lasern", Optik-Schnellzug, 16,12618-12623 (2008) wert.
• H. Zhang und al, "Mehrwellenlänge dissipative soliton Operation eines Erbium-lackierten Faser-Lasers", Optik-Schnellzug, Vol. 17, Ausgabe 2, Seiten 12692-12697
• L.M. Zhao und al, "Ruft die Polarisationsfolge-Blockierung des Vektoren solitons in einer Faser Laser", Optik-Schnellzug, 16,10053-10058 (2008) an.
• http://www.natureasia.com/asia-materials/highlight.php?id=594
• http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=30x.php
• Qiaoliang Bao, Han Zhang, Yu Wang, Zhenhua Ni, Yongli Yan, Ze Xiang Shen, Kian Ping Loh, und Ding Yuan Tang, Fortgeschrittene Funktionelle Materialien, "Hat Atomschicht graphene als saturable Absorber für den ultraschnellen Laser" pulsiert