قفل الوضع

تقنية قفل الأنماط هي تقنية في علم البصريات تُتيح إنتاج نبضات ضوئية قصيرة للغاية من الليزر ، تصل مدتها إلى بيكو ثانية ( ^10⁻¹²  ثانية) أو فيمتوثانية (10⁻¹⁵ ^ثانية  ). يُطلق على الليزر الذي يعمل بهذه الطريقة أحيانًا اسم ليزر فيمتوثانية ، كما هو الحال في جراحة تصحيح النظر الحديثة . تعتمد هذه التقنية على إحداث علاقة طور ثابتة بين الأنماط الطولية لتجويف رنين الليزر . يؤدي التداخل البنّاء بين هذه الأنماط إلى إنتاج ضوء الليزر على شكل سلسلة من النبضات. عندئذٍ، يُقال إن الليزر "مقفل الطور" أو "مقفل النمط".

على الرغم من أن ضوء الليزر يُعدّ ربما أنقى أشكال الضوء، إلا أنه لا يمتلك ترددًا أو طول موجة واحدًا نقيًا . تُنتج جميع الليزرات ضوءًا ضمن نطاق ترددي طبيعي . ويُحدد نطاق تردد تشغيل الليزر بشكل أساسي بواسطة الوسط المُضخِّم الذي يُصنع منه، ويُعرف نطاق الترددات الذي يعمل ضمنه الليزر بنطاق التردد المُضخِّم. على سبيل المثال، يبلغ نطاق التردد المُضخِّم لليزر الهيليوم-نيون النموذجي حوالي 1.5 جيجاهرتز (نطاق طول موجة يبلغ حوالي 0.002 نانومتر عند طول موجة مركزي 633 نانومتر)، بينما يبلغ نطاق التردد المُضخِّم لليزر ذي الحالة الصلبة المصنوع من الياقوت المُطعَّم بالتيتانيوم ( Ti:sapphire ) حوالي 128 تيراهيرتز (نطاق طول موجة 300 نانومتر متمركز عند 800 نانومتر). ^{[ 1 ]}      

العامل الثاني الذي يحدد ترددات انبعاث الليزر هو التجويف البصري (أو التجويف الرنيني) الخاص به. في أبسط الحالات، يتكون هذا التجويف من مرآتين مستويتين متقابلتين ، تحيطان بوسط التضخيم الخاص بالليزر (يُعرف هذا الترتيب بتجويف فابري-بيرو ). ولأن الضوء موجة ، فعندما يرتد بين مرآتي التجويف، يتداخل الضوء تداخلاً بناءً وهداماً، مما يؤدي إلى تكوين موجات مستقرة ، أو أنماط ، بين المرآتين. تُشكل هذه الموجات المستقرة مجموعة منفصلة من الترددات، تُعرف بالأنماط الطولية للتجويف. هذه الأنماط هي الترددات الضوئية الوحيدة التي تتجدد ذاتياً ويُسمح لها بالتذبذب بواسطة التجويف الرنيني؛ أما جميع الترددات الضوئية الأخرى فتُقمع بالتداخل الهدام. بالنسبة لتجويف مرآة مستوية بسيط، فإن الأنماط المسموح بها هي تلك التي تكون فيها المسافة الفاصلة بين المرآتين L مضاعفًا دقيقًا لنصف الطول الموجي للضوء λ ، بحيث يكون L = q λ / 2 ، حيث q عدد صحيح يُعرف برتبة النمط. ^{[ 2 ]}

عمليًا، يكون طول الموجة L عادةً أكبر بكثير من طول الموجة λ ، لذا تكون قيم q ذات الصلة كبيرة (حوالي ^10⁵ إلى ^10⁶ ). والأكثر أهمية هو الفرق في التردد بين أي نمطين متجاورين q و q + 1 ؛ ويُعطى هذا الفرق (لمرنان خطي فارغ طوله L ) بالعلاقة Δν = c / 2L ، حيث c هي سرعة الضوء (≈  3×10⁸ ^م  /ث).

باستخدام المعادلة المذكورة أعلاه، فإن ليزرًا صغيرًا بمسافة فاصلة بين مرآتيه تبلغ 30  سم، يكون له فاصل ترددي بين الأنماط الطولية يبلغ 0.5  جيجاهرتز. وبالتالي، بالنسبة لليزرين المذكورين أعلاه، ذوي  تجويف بطول 30 سم، فإن عرض النطاق الترددي 1.5  جيجاهرتز لليزر الهيليوم-نيون يدعم ما يصل إلى 3 أنماط طولية، بينما  يدعم عرض النطاق الترددي 128 تيراهيرتز لليزر التيتانيوم-ياقوت ما يقارب 250,000 نمط. عندما يتم إثارة أكثر من نمط طولي واحد، يُقال إن الليزر يعمل في وضع "التشغيل متعدد الأنماط". وعندما يتم إثارة نمط طولي واحد فقط، يُقال إن الليزر يعمل في وضع "التشغيل أحادي النمط".

لكل نمط طولي فردي نطاق ترددي أو نطاق ضيق من الترددات التي يعمل عليها، ولكن عادةً ما يكون هذا النطاق الترددي، الذي يحدده عامل الجودة للتجويف (انظر مقياس التداخل فابري-بيرو )، أصغر بكثير من الفصل الترددي بين الأنماط.

في الليزر البسيط، يتذبذب كل نمط من هذه الأنماط بشكل مستقل، دون وجود علاقة ثابتة بينها، تمامًا كمجموعة من الليزرات المستقلة، تُصدر جميعها ضوءًا بترددات مختلفة قليلاً. لا يكون طور الموجات الضوئية في كل نمط ثابتًا، وقد يتغير عشوائيًا نتيجة لعوامل مثل التغيرات الحرارية في مواد الليزر. في الليزرات ذات الأنماط المتذبذبة القليلة، قد يتسبب التداخل بين هذه الأنماط في حدوث تأثيرات تذبذب في خرج الليزر، مما يؤدي إلى تقلبات في شدة الضوء؛ أما في الليزرات ذات آلاف الأنماط، فتميل تأثيرات التداخل هذه إلى التساوي، مما ينتج عنه شدة خرج شبه ثابتة.

إذا تذبذبت كل نمط من أنماط الليزر بفارق طور ثابت بينها وبين الأنماط الأخرى، بدلاً من التذبذب بشكل مستقل، فإن خرج الليزر سيتصرف بشكل مختلف تمامًا. فبدلاً من شدة خرج عشوائية أو ثابتة، ستتداخل أنماط الليزر دوريًا تداخلاً بناءً، مما ينتج عنه نبضة ضوئية شديدة. يُطلق على هذا النوع من الليزر اسم "ليزر متزامن الأنماط" أو "ليزر متزامن الأطوار". تحدث هذه النبضات بفارق زمني قدره τ = 2L / c ، حيث τ هو الزمن الذي يستغرقه الضوء لإكمال دورة كاملة حول تجويف الليزر. يتوافق هذا الزمن مع تردد يساوي تمامًا تباعد أنماط الليزر، Δν = 1 / τ .

تُحدد مدة كل نبضة ضوئية بعدد الأنماط المتذبذبة في الطور نفسه (في الليزر الحقيقي، ليس بالضرورة أن تكون جميع أنماط الليزر متزامنة الطور). إذا كان هناك N نمطًا متزامنًا بفارق تردد Δν ، فإن عرض النطاق الترددي الإجمالي للأنماط المتزامنة هو NΔν ، وكلما اتسع هذا النطاق الترددي، قصرت مدة نبضة الليزر. عمليًا، تُحدد مدة النبضة الفعلية بشكل كل نبضة، والذي بدوره يُحدد بالعلاقة الدقيقة بين السعة والطور لكل نمط طولي. على سبيل المثال، بالنسبة لليزر الذي يُصدر نبضات ذات شكل زمني غاوسي ، فإن الحد الأدنى الممكن لمدة النبضة Δt يُعطى بالعلاقة التالية :

${\displaystyle \Delta t={\frac {0.441}{N\,\Delta \nu }}.}$

تُعرف القيمة 0.441 باسم " حاصل ضرب الزمن في عرض النطاق " للنبضة، وتختلف هذه القيمة باختلاف شكل النبضة. بالنسبة لأشعة الليزر ذات النبضات فائقة القصر ، يُفترض غالبًا شكل نبضة القطع الزائد-القاطع التربيعي (sech² ⁾ ، مما يُعطي حاصل ضرب الزمن في عرض النطاق بقيمة 0.315.

باستخدام هذه المعادلة، يمكن حساب الحد الأدنى لمدة النبضة بما يتوافق مع عرض الطيف المقاس لليزر. بالنسبة لليزر الهيليوم-نيون ذي  عرض نطاق ترددي 1.5 جيجاهرتز، فإن أقصر نبضة غاوسية متوافقة مع هذا العرض الطيفي تبلغ حوالي 300  بيكو ثانية؛ أما بالنسبة لليزر التيتانيوم-ياقوت ذي عرض نطاق ترددي 128  تيراهيرتز، فإن هذا العرض الطيفي يتوافق مع نبضة مدتها 3.4  فيمتوثانية فقط. تمثل هذه القيم أقصر نبضات غاوسية ممكنة متوافقة مع عرض نطاق الليزر؛ في ليزر حقيقي مُقفل النمط، تعتمد مدة النبضة الفعلية على العديد من العوامل الأخرى، مثل شكل النبضة الفعلي والتشتت الكلي للتجويف .

من حيث المبدأ، يمكن للتعديل اللاحق أن يقلل من عرض النبضة لمثل هذا الليزر بشكل أكبر؛ ومع ذلك، فإن عرض الطيف المقاس سيزداد تبعًا لذلك.

يمكن تصنيف طرق إنتاج قفل النمط في الليزر إلى نوعين: "نشطة" و"سلبية". تعتمد الطرق النشطة عادةً على استخدام إشارة خارجية لتحفيز تعديل الضوء داخل تجويف الليزر. أما الطرق السلبية، فلا تستخدم إشارة خارجية، بل تعتمد على وضع عنصر ما داخل تجويف الليزر يُحدث تعديلاً ذاتياً للضوء.

عمليًا، تؤثر عدة اعتبارات تصميمية على أداء الليزر ذي النمط المقفل. أهمها التشتت الكلي للرنان البصري لليزر ، والذي يمكن التحكم به باستخدام ضاغط موشور أو مرايا تشتت موضوعة داخل التجويف، بالإضافة إلى اللاخطية البصرية . في حالة التشتت الزائد لتأخير المجموعة (GDD) في تجويف الليزر، لا يمكن قفل طور أنماط التجويف على نطاق ترددي واسع، ويصعب الحصول على نبضات قصيرة جدًا. عند الجمع بين التشتت السالب (الشاذ) لتأخير المجموعة مع اللاخطية كير ، قد تُسهم التفاعلات الشبيهة بالسوليتون في استقرار قفل النمط والمساعدة في توليد نبضات أقصر. عادةً ما يتم الحصول على أقصر مدة نبضة ممكنة إما عند انعدام التشتت (بدون لاخطية) أو عند وجود تشتت سالب طفيف (شاذ) (باستغلال آلية السوليتون).

تُنتَج أقصر النبضات الضوئية المُنتَجة مباشرةً عادةً بواسطة ليزرات تيتانيوم-ياقوت مُقفلة النمط باستخدام عدسة كير ، ويبلغ  طولها حوالي 5 فيمتوثانية. وبدلاً من ذلك، تُنتَج نبضات مُضخَّمة ذات مدة مماثلة من خلال ضغط  نبضات أطول (مثل 30 فيمتوثانية) عن طريق تعديل الطور الذاتي في ألياف ذات لب مجوف أو أثناء عملية التفتيل. ومع ذلك، فإن الحد الأدنى لمدة النبضة محدود بدورة تردد الموجة الحاملة (التي تبلغ حوالي 2.7  فيمتوثانية لأنظمة تيتانيوم-ياقوت)؛ لذلك، تتطلب النبضات الأقصر الانتقال إلى أطوال موجية أقصر. ويمكن استخدام بعض التقنيات المتقدمة (التي تتضمن توليد التوافقيات العالية باستخدام نبضات ليزر فيمتوثانية مُضخَّمة) لإنتاج خصائص ضوئية بمدد قصيرة تصل إلى 100 أتوثانية في منطقة الطيف فوق البنفسجي الشديد (أي أقل من 30 نانومتر). وتشمل الإنجازات الأخرى، المهمة بشكل خاص لتطبيقات الليزر ، تطوير الليزر المقفل النمط الذي يمكن ضخه بواسطة ثنائيات الليزر ، ويمكنه توليد متوسطات طاقة خرج عالية جدًا (عشرات الواط) في نبضات أقل من بيكو ثانية، أو توليد قطارات نبضات بمعدلات تكرار عالية للغاية تبلغ عدة جيجاهرتز.  

تعتبر مدة النبضات التي تقل عن 100  فيمتوثانية قصيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها مباشرة باستخدام التقنيات الكهروضوئية (أي الثنائيات الضوئية )، ولذلك يتم استخدام طرق غير مباشرة، مثل الارتباط الذاتي ، والبوابات البصرية المعتمدة على التردد ، وتداخل الطور الطيفي لإعادة بناء المجال الكهربائي المباشر ، ومسح طور التداخل متعدد الفوتونات داخل النبضة ، وتأرجح السعة .

• الاندماج النووي ( الاندماج بالقصور الذاتي ).
• البصريات غير الخطية، مثل توليد التوافقي الثاني ، والتحويل البارامتري السفلي ، والمذبذبات البارامترية البصرية ، وتوليد إشعاع تيراهيرتز .
• تعتمد تقنية تخزين البيانات الضوئية على الليزر، وتعتمد تقنية تخزين البيانات الضوئية ثلاثية الأبعاد الناشئة عمومًا على الكيمياء الضوئية غير الخطية. ولهذا السبب، تستخدم العديد من التطبيقات ليزرات ذات نمط مقفل، نظرًا لقدرتها على توفير معدل تكرار عالٍ جدًا للنبضات فائقة القصر.
• التصنيع النانوي باستخدام ليزر الفيمتو ثانية - يمكن استخدام النبضات القصيرة للتصنيع النانوي في العديد من أنواع المواد.
• ومن الأمثلة على التصنيع الدقيق بالبيكوثانية والفيمتو ثانية حفر سطح نفث السيليكون في طابعات نفث الحبر .
• المجهر ثنائي الفوتون .
• جراحة القرنية (انظر جراحة تصحيح النظر ). يمكن استخدام ليزر الفيمتو ثانية لإحداث فقاعات في القرنية . ويمكن استخدام صف من الفقاعات لإحداث شق في القرنية، بدلاً من استخدام الميكروكيراتوم ، كما هو الحال عند إنشاء سديلة في جراحة الليزك (يُشار إلى هذه العملية أحيانًا باسم جراحة الليزك الداخلية أو جراحة الليزر الكاملة). كما يمكن إحداث الفقاعات في طبقات متعددة بحيث يمكن إزالة جزء من نسيج القرنية بين هذه الطبقات (وهي عملية تُعرف باسم استخراج العدسة الصغيرة من خلال شق صغير ).
• طُوِّرت تقنية ليزرية تُحوّل سطح المعادن إلى اللون الأسود الداكن. تعمل نبضة ليزرية فائقة السرعة على تشويه سطح المعدن، مُشكِّلةً بنىً نانوية . وتستطيع مساحة السطح المتزايدة بشكلٍ هائل امتصاص جميع الضوء الساقط عليها تقريبًا، مما يُكسبها اللون الأسود الداكن. وهذا أحد أنواع الذهب الأسود . ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• أخذ العينات الضوئية، باستخدام الدقة العالية لليزر مقارنة بالساعات الإلكترونية لتقليل خطأ أخذ العينات في محولات ADC الإلكترونية.

تعتمد خاصية الضوء أحادي اللون في الليزر على مبدأ عمله الأساسي الذي يتضمن عناصر انتقائية للتردد. على سبيل المثال، في ليزرات الديود ، تُعدّ رنانات المرآة الخارجية والشبكات من هذه العناصر. وبمساعدة هذه العناصر، يؤدي اختيار التردد إلى انبعاث طيفي ضيق جدًا للضوء. مع ذلك، عند التدقيق، نلاحظ وجود تقلبات في التردد تحدث على نطاقات زمنية مختلفة. قد تعود هذه التقلبات لأسباب متعددة، مثل تقلبات جهد الدخل، أو الاهتزازات الصوتية، أو تغيرات الضغط ودرجة حرارة المحيط. لذا، للحد من هذه التقلبات، من الضروري تثبيت طور أو تردد الليزر خارجيًا. يُطلق على تثبيت خصائص الليزر باستخدام أي مصدر أو مرجع خارجي اسم "تثبيت الليزر" أو ببساطة "التثبيت".

• قرص ليزر
• السوليتون المبدد
• تكنولوجيا الفيمتو
• ليزر الألياف
• مشط التردد
• البناء بالليزر
• تقنية Q-switching
• الامتصاص المشبع
• ليزر الحالة الصلبة
• سوليتون
• البصريات فائقة السرعة
• سوليتون متجهي

• أندرو إم. واينر (2009). البصريات فائقة السرعة . وايلي. ISBN 978-0-471-41539-8.
• H. Zhang et al, “Induced solitons could by cross polarization coupling in a birefringent jaw fiber laser” , Opt. Lett., 33, 2317–2319.(2008).
• DY Tang et al, “Observation of high-order polarization-locked vector solitons in a fiber laser” , Physical Review Letters , 101, 153904 (2008).
• H. Zhang et al., "Coherent energy exchange between components of a vector soliton in fiber lasers", Optics Express , 16,12618–12623 (2008).
• H. Zhang et al, “تشغيل السوليتون المبدد متعدد الأطوال الموجية لليزر الألياف المشوب بالإربيوم” , Optics Express , Vol. 17, Issue 2, pp.  12692–12697
• LM Zhao et al, “Polarization rotation locking of vector solitons in a fiber ring laser” , Optics Express , 16,10053–10058 (2008).
• كياوليانغ باو، هان تشانغ، يو وانغ، تشن هوا ني، يونغلي يان، زي شيانغ شين، كيان بينج لوه، ودينغ يوان تانغ، المواد الوظيفية المتقدمة، "طبقة الجرافين الذرية كممتص قابل للإشباع لليزر النبضي فائق السرعة "
• تشانغ، هـ.؛ وآخرون  (2010). "ليزر ألياف سوليتون مُبدد، قابل لضبط الطول الموجي، ومُقفل النمط في الجرافين" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء التطبيقية . 96 (11): 111112. arXiv : 1003.0154 . Bibcode : 2010ApPhL..96k1112Z . doi : 10.1063/1.3367743 . S2CID 119233725. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 16 يوليو 2011. 

• موسوعة فيزياء الليزر وتكنولوجيا الليزر حول قفل الأنماط والليزر المقفل الأنماط