การล็อกเลนส์เคอร์

การล็อกโหมดด้วยเลนส์เคอร์ ( KLM ) เป็นวิธีการล็อกโหมดของเลเซอร์โดยใช้ปรากฏการณ์เคอร์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้น วิธีนี้ช่วยให้สามารถสร้างพัลส์แสงที่มีระยะเวลาสั้นเพียงไม่กี่เฟมโตวินาทีได้

ปรากฏการณ์ Kerrทางแสงเป็นกระบวนการที่เกิดจากการตอบสนองแบบไม่เชิงเส้นของตัวกลางทางแสงต่อสนามไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดัชนีหักเหของตัวกลางขึ้นอยู่กับความแรงของสนาม^{[ 1 ]}

เนื่องจากการกระจายความหนาแน่นของพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอในลำแสงเกาส์เซียน (ดังที่พบในตัวเรโซเนเตอร์ของเลเซอร์) ดัชนีหักเหจึงเปลี่ยนแปลงไปตามโปรไฟล์ของลำแสง โดยดัชนีหักเหที่ลำแสงได้รับจะสูงกว่าที่กึ่งกลางลำแสงมากกว่าที่ขอบ ดังนั้นแท่งของตัวกลางเคอร์แบบแอคทีฟจึงทำหน้าที่เหมือนเลนส์สำหรับแสงที่มีความเข้มสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการโฟกัสด้วยตนเองและในกรณีที่รุนแรงอาจนำไปสู่การทำลายวัสดุ ในโพรงเลเซอร์ แสงที่ปล่อยออกมาเป็นช่วงสั้นๆ จะถูกโฟกัสแตกต่างจากคลื่นต่อเนื่อง

เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจากโหมดพัลส์มากกว่าโหมดต่อเนื่อง อาจทำให้โพรงเลเซอร์ไม่เสถียรสำหรับการทำงานแบบต่อเนื่องแต่บ่อยครั้งที่ความเสถียรต่ำเป็นผลพลอยได้จากการออกแบบโพรงเลเซอร์ที่เน้นผลกระทบของรูรับแสง การออกแบบแบบเก่าใช้รูรับแสงแบบแข็ง ซึ่งตัดแสงออกไปโดยตรง ในขณะที่การออกแบบสมัยใหม่ใช้รูรับแสงแบบอ่อน ซึ่งหมายถึงการทับซ้อนกันระหว่างบริเวณที่ถูกกระตุ้นของตัวกลางขยายสัญญาณและพัลส์ ในขณะที่ผลกระทบของเลนส์ต่อลำแสงเลเซอร์อิสระนั้นค่อนข้างชัดเจน แต่ภายในโพรงเลเซอร์ ลำแสงทั้งหมดพยายามปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงนี้ โพรงเลเซอร์มาตรฐานที่มีกระจกแบนและเลนส์ความร้อนในผลึกเลเซอร์จะมีขนาดความกว้างของลำแสงที่แคบที่สุดบนกระจกปลาย เมื่อเพิ่มเลนส์เคอร์เข้าไป ความกว้างบนกระจกปลายก็จะยิ่งแคบลงไปอีก ดังนั้น กระจกปลายขนาดเล็ก (รูรับแสงแบบแข็ง) จึงเอื้อต่อพัลส์มากกว่า ในออสซิลเลเตอร์ Ti:Sapphire จะมีการใส่กล้องโทรทรรศน์ไว้รอบๆ ผลึกเพื่อเพิ่มความเข้มของแสง

สำหรับรูรับแสงแบบอ่อน ลองนึกถึงผลึกเลเซอร์อนันต์ที่มีเลนส์ความร้อน ลำแสงเลเซอร์จะถูกนำทางเหมือนในใยแก้ว ด้วยเลนส์เคอร์เพิ่มเติม ความกว้างของลำแสงจะแคบลง ในเลเซอร์จริง ผลึกมีขนาดจำกัด โพรงทั้งสองด้านมีกระจกเว้า และจากนั้นมีเส้นทางที่ค่อนข้างยาวไปยังกระจกแบน แสงแบบต่อเนื่องจะออกจากหน้าตัดปลายผลึกด้วยความกว้างของลำแสงที่มากกว่าและมีการกระจายตัวเล็กน้อย มันส่องสว่างพื้นที่เล็กกว่าบนกระจกเว้า ทำให้ความกว้างของลำแสงแคบลงระหว่างทางไปยังกระจกแบน ดังนั้นการเลี้ยวเบนจึงรุนแรงขึ้น เนื่องจากการกระจายตัว แสงจึงมาจากจุดที่อยู่ห่างกันมากขึ้น และนำไปสู่การรวมตัวมากขึ้นหลังจากกระจกเว้า การรวมตัวนี้สมดุลกับการเลี้ยวเบน แสงแบบพัลส์จะออกจากหน้าตัดปลายผลึกด้วยความกว้างของลำแสงที่น้อยกว่าและไม่มีการกระจายตัว ดังนั้นมันจึงส่องสว่างพื้นที่ที่ใหญ่กว่าบนกระจกเว้าและมีการรวมตัวน้อยกว่าหลังจากนั้น ดังนั้นทั้งแสงแบบต่อเนื่องและแสงแบบพัลส์จึงสะท้อนกลับมายังตัวเอง โพรงแสงที่ใกล้เคียงกับโพรงแสงแบบคอนโฟกัลหมายถึงการอยู่ใกล้กับความไม่เสถียร ซึ่งหมายความว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของโพรงแสง สิ่งนี้เน้นย้ำถึงการปรับเปลี่ยน ด้วยโพรงแสงที่ไม่สมมาตรเล็กน้อย การยืดโพรงแสงจะเน้นย้ำการเลี้ยวเบนและทำให้เกิดความไม่เสถียรสำหรับการทำงานแบบต่อเนื่องในขณะที่ยังคงเสถียรสำหรับการทำงานแบบพัลส์

ความยาวของตัวกลางที่ใช้สำหรับ KLM นั้นถูกจำกัดโดย การกระจาย ความเร็วกลุ่ม KLM ใช้ใน การ ควบคุม การชดเชยซองคลื่นพาหะ

การเริ่มต้นการล็อกโหมดด้วยเลนส์เคอร์ขึ้นอยู่กับความแรงของผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นที่เกี่ยวข้อง หากสนามเลเซอร์ก่อตัวขึ้นในโพรง เลเซอร์จะต้องเอาชนะช่วงการทำงานแบบต่อเนื่องซึ่งมักจะได้รับการสนับสนุนจากกลไกการปั๊ม สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้โดยการใช้เลนส์เคอร์ที่รุนแรงมาก ซึ่งแรงพอที่จะล็อกโหมดได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของความแรงของสนามเลเซอร์ (การก่อตัวของสนามเลเซอร์หรือความผันผวนแบบสุ่ม)

นอกจากนี้ ยังสามารถเริ่มกระบวนการล็อกโหมดได้โดยการเปลี่ยนจุดโฟกัสที่เหมาะสมที่สุดจากโหมดการทำงานแบบคลื่นต่อเนื่องไปเป็น โหมด การทำงานแบบพัลส์พร้อมทั้งเปลี่ยนความหนาแน่นของพลังงานโดยการขยับกระจกปลายของโพรงเรโซเนเตอร์ (แม้ว่ากระจกปลายแบบสั่นแบบซิงโครนัสที่ติดตั้งด้วยเพียโซจะใช้งานง่ายกว่าก็ตาม) หลักการอื่นๆ เกี่ยวข้องกับผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นต่างๆ เช่น ตัวดูดซับแบบอิ่มตัวและตัวสะท้อนแสงแบบแบร็กแบบอิ่มตัว ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิดพัลส์ที่สั้นพอที่จะเริ่มต้นกระบวนการเลนส์เคอร์ได้

การเปลี่ยนแปลงความเข้มที่มีความยาวระดับนาโนวินาทีจะถูกขยายให้มากขึ้นด้วยกระบวนการเลนส์เคอร์ และความยาวของพัลส์จะลดลงอีกเพื่อให้ได้ความแรงสนามที่สูงขึ้นตรงกลางพัลส์ กระบวนการทำให้คมชัดขึ้นนี้ถูกจำกัดด้วยแบนด์วิดท์ที่สามารถทำได้ด้วยวัสดุเลเซอร์และกระจกในโพรง รวมถึงการกระจายตัวของโพรงด้วย พัลส์ที่สั้นที่สุดที่สามารถทำได้ด้วยสเปกตรัมที่กำหนดเรียกว่าพัลส์ที่จำกัดแบนด์วิดท์

เทคโนโลยี กระจกสะท้อนแบบชิป (Chirped mirror technology) ช่วยชดเชยความไม่ตรงกันของเวลาของความยาวคลื่นต่างๆ ภายในโพรงเนื่องจากการกระจายตัวของวัสดุ ในขณะที่ยังคงรักษาเสถียรภาพสูงและลดการสูญเสียให้เหลือน้อยที่สุด

ปรากฏการณ์เคอร์นำไปสู่ทั้งเลนส์เคอร์และการปรับเฟสด้วยตนเองในเวลาเดียวกัน โดยประมาณแล้ว อาจพิจารณาว่าปรากฏการณ์ทั้งสองเป็นอิสระต่อกันได้

เนื่องจากการล็อกโหมดเคอร์เลนส์เป็นปรากฏการณ์ที่ตอบสนองโดยตรงต่อสนามไฟฟ้า เวลาตอบสนองจึงเร็วพอที่จะสร้างพัลส์แสงในช่วงแสงที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรด โดยมีความยาวน้อยกว่า 5 เฟมโตวินาทีเนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าสูง ลำแสงเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตที่โฟกัสแล้วจึงสามารถเอาชนะเกณฑ์ 10¹⁴ ^W cm⁻² ^ซึ่งสูงกว่าความแรงของสนามของพันธะอิเล็กตรอน-ไอออนในอะตอม

พัลส์สั้น ๆ เหล่านี้เปิดสาขาใหม่ของทัศนศาสตร์ความเร็วสูงพิเศษซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นที่เปิดโอกาสให้เข้าถึงปรากฏการณ์ใหม่ ๆ มากมาย เช่น การวัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอม (ปรากฏการณ์แอตโตวินาที) การสร้างแสงบรอดแบนด์แบบโคherent ( เลเซอร์อัลตร้าบรอด ) และทำให้เกิดการใช้งานใหม่ ๆ มากมายในการตรวจจับด้วยแสง (เช่น เรดาร์เลเซอร์แบบโคherent, การถ่าย ภาพโทโมกราฟี แบบโคherent ด้วยแสงที่มีความละเอียดสูงมาก ) การประมวลผลวัสดุ และสาขาอื่น ๆ เช่นมาตรวิทยา (การวัดความถี่และเวลาที่แม่นยำอย่างยิ่ง)

1. DE Spence, PN Kean และ W. Sibbett, Opt. Lett. 16, 42(1991).
2. ม. พิเช่, Opt. ชุมชน 86, 156(1991)
3. B. Proctor, E. Westwig และ F. Wise, Opt. Lett. 18, 1654(1993).
4. V. Magni, G. Cerullo และ S. De Silvestri, Opt. ชุมชน 101, 365(1993)