قفل نموذج عدسة كير

تقنية قفل الأنماط باستخدام عدسة كير ( KLM ) هي طريقة لقفل أنماط الليزر عبر تأثير كير البصري غير الخطي . تسمح هذه الطريقة بتوليد نبضات ضوئية بمدة قصيرة تصل إلى بضعة فيمتوثانية .

تأثير كير البصري هو عملية تنتج عن الاستجابة غير الخطية للوسط البصري للمجال الكهربائي لموجة كهرومغناطيسية . ويعتمد معامل انكسار الوسط على شدة المجال. ^{[ 1 ]}

بسبب التوزيع غير المنتظم لكثافة الطاقة في شعاع غاوسي (كما هو الحال في رنانات الليزر)، يتغير معامل الانكسار عبر مقطع الشعاع؛ حيث يكون معامل الانكسار الذي يتعرض له الشعاع أكبر في مركزه منه عند حافته. وبالتالي، يعمل قضيب من وسط كير النشط كعدسة للضوء عالي الكثافة. تُعرف هذه الظاهرة بالتركيز الذاتي ، وفي الحالات القصوى تؤدي إلى تلف المادة. في تجويف الليزر، ستُركز النبضات الضوئية القصيرة بشكل مختلف عن الموجات المستمرة.

لتفضيل نمط النبضات على نمط الموجة المستمرة، يمكن جعل تجويف الليزر غير مستقر للتشغيل بنمط الموجة المستمرة ، ولكن في أغلب الأحيان يكون انخفاض الاستقرار نتيجة ثانوية لتصميم تجويف الليزر الذي يركز على تأثيرات الفتحة. استخدمت التصاميم القديمة فتحة صلبة، تعمل ببساطة على قطع الشعاع، بينما تستخدم التصاميم الحديثة فتحة مرنة، أي التداخل بين المنطقة المضخّة من وسط التضخيم والنبضة. في حين أن تأثير العدسة على شعاع الليزر الحر واضح تمامًا، إلا أن الشعاع بأكمله داخل تجويف الليزر يحاول التكيف مع هذا التغيير. يتميز تجويف الليزر القياسي ذو المرايا المستوية والعدسة الحرارية في بلورة الليزر بأصغر عرض للشعاع على المرايا الطرفية. ومع إضافة عدسة كير، يصبح العرض على المرآة الطرفية أصغر. لذلك، تُفضل المرايا الطرفية الصغيرة (الفتحة الصلبة) النبضات. في مذبذبات التيتانيوم: الياقوت، تُضاف تلسكوبات حول البلورة لزيادة شدة الشعاع.

للحصول على فتحة ناعمة، تخيل بلورة ليزر لانهائية مزودة بعدسة حرارية. يُوجَّه شعاع الليزر كما في الألياف الزجاجية. وبإضافة عدسة كير، يضيق عرض الشعاع. في الليزر الحقيقي، تكون البلورة محدودة. يحتوي التجويف على كلا الجانبين على مرآة مقعرة، ثم مسار طويل نسبيًا إلى مرآة مستوية. يخرج ضوء الموجة المستمرة من السطح النهائي للبلورة بعرض شعاع أكبر وتباعد طفيف. يُضيء مساحة أصغر على المرآة المقعرة، مما يؤدي إلى عرض شعاع صغير في طريقه إلى المرآة المستوية. وبالتالي، يكون الانعراج أقوى. وبسبب التباعد، يأتي الضوء فعليًا من نقطة أبعد، مما يؤدي إلى مزيد من التقارب بعد المرآة المقعرة. ويتوازن هذا التقارب مع الانعراج. يخرج الضوء النبضي من السطح النهائي بعرض شعاع أصغر وبدون تباعد. وبالتالي، يُضيء مساحة أكبر على المرآة المقعرة ويكون أقل تقاربًا بعد ذلك. لذلك، تنعكس جبهات كل من الموجات المستمرة والضوء النبضي على نفسها. إن وجود تجويف قريب من تجويف البؤرة يعني الاقتراب من حالة عدم الاستقرار، مما يعني أن قطر الشعاع حساس لتغيرات التجويف. وهذا يُبرز التعديل. أما مع تجويف غير متماثل قليلاً، فإن إطالة التجويف تُبرز الانعراج، بل وتجعله غير مستقر في التشغيل المستمر ، بينما يبقى مستقرًا في التشغيل النبضي .

يُحدَّد طول الوسط المستخدم في تقنية KLM بتشتت سرعة المجموعة . وتُستخدم هذه التقنية في التحكم في إزاحة غلاف الموجة الحاملة .

يعتمد بدء ظاهرة تثبيت نمط عدسة كير على قوة التأثير غير الخطي. فإذا تراكم مجال الليزر في تجويف، يتعين على الليزر تجاوز منطقة التشغيل المستمر ، والتي غالبًا ما يفضلها نظام الضخ. ويمكن تحقيق ذلك من خلال عدسة كير قوية جدًا، كافية لتثبيت النمط نتيجة لتغيرات طفيفة في شدة مجال الليزر (تراكم مجال الليزر أو التقلبات العشوائية).

يمكن أيضًا بدء عملية قفل النموذج عن طريق تحويل التركيز الأمثل من التشغيل المستمر إلى التشغيل النبضي مع تغيير كثافة الطاقة عن طريق تحريك المرآة النهائية لتجويف الرنان (مع أن استخدام مرآة نهائية متذبذبة متزامنة مثبتة على محرك بيزو سيكون أسهل بكثير). وتشمل المبادئ الأخرى تأثيرات غير خطية مختلفة مثل الممتصات المشبعة وعاكسات براغ المشبعة، والتي تحفز نبضات قصيرة بما يكفي لبدء عملية عدسة كير.

تتضخم تغيرات الشدة التي تحدث على مدى نانوثانية بفعل عملية عدسة كير، ويتقلص طول النبضة أكثر لتحقيق شدة مجال أعلى في مركزها. وتقتصر هذه العملية على عرض النطاق الترددي المتاح لمادة الليزر ومرايا التجويف، بالإضافة إلى تشتت التجويف. وتُسمى أقصر نبضة يمكن الحصول عليها بطيف معين بالنبضة محدودة النطاق الترددي .

تتيح تقنية المرآة ذات التردد المتغير تعويض عدم تطابق التوقيت للأطوال الموجية المختلفة داخل التجويف بسبب تشتت المواد مع الحفاظ على استقرار عالٍ وخسائر منخفضة.

يؤدي تأثير كير إلى تعديل طور عدسة كير وتعديل الطور الذاتي في آن واحد. ويمكن اعتبارهما، كتقريب أولي، تأثيرين مستقلين.

بما أن ظاهرة تثبيت نمط عدسة كير هي تأثير يتفاعل مباشرة مع المجال الكهربائي، فإن زمن الاستجابة سريع بما يكفي لإنتاج نبضات ضوئية في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة بأطوال تقل عن 5 فيمتوثانية . وبفضل شدة المجال الكهربائي العالية، تستطيع حزم الليزر فائقة القصر المركزة تجاوز عتبة 10 ^{^14} واط/سم ^{^2} ، والتي تتجاوز شدة مجال الرابطة بين الإلكترون والأيون في الذرات.

تفتح هذه النبضات القصيرة المجال الجديد للبصريات فائقة السرعة ، وهو مجال من البصريات غير الخطية يتيح الوصول إلى فئة جديدة تمامًا من الظواهر مثل قياس حركات الإلكترون في الذرة (ظواهر الأتوثانية)، وتوليد الضوء المتماسك واسع النطاق ( الليزر فائق الاتساع )، وبالتالي يؤدي إلى ظهور العديد من التطبيقات الجديدة في الاستشعار البصري (مثل رادار الليزر المتماسك، والتصوير المقطعي البصري المتماسك فائق الدقة )، ومعالجة المواد، ومجالات أخرى مثل القياسات (قياسات التردد والوقت الدقيقة للغاية).

1. DE Spence و PN Kean و W. Sibbett، Opt. Lett. 16، 42 (1991).
2. م. بيش، اختيار. مشترك. 86، 156 (1991).
3. B. Proctor, E. Westwig, and F. Wise, Opt. Lett. 18, 1654(1993).
4. V. Magni، G. Cerullo، وS. De Silvestri، Opt. مشترك. 101، 365 (1993).