激光同步 Synchronization of lasers

2022-11-01 13:21:26 浏览:428

定义

与激光产生的光脉冲的同步。

激光的同步通常意味着调整产生的激光脉冲的时间位置,使得来自两个激光器的脉冲在时间上重合,或者来自一个激光器的脉冲与某些电子信号重合。 这更清楚地称为定时同步。 一些例子:

  • 如果要利用涉及不同脉冲的非线性频率转换过程 - 例如,和或差频生成或光参量放大,则只有当脉冲在某些非线性介质中相遇时,这才能起作用。 另请参阅有关同步泵送的文章。
  • 双色泵浦探头测量,例如可用于激光光谱学,需要精确控制相对时序,因为测量非线性响应对脉冲之间延迟时间的依赖性。
  • 在光学频率计量领域,通常需要将锁模激光器的脉冲发射与给定的电子信号或两个激光器的脉冲发射精确同步。
  • 光学数据传输系统通常也需要某种形式的同步。

在其他一些情况下,同步的实际上是两个连续波激光器的电场振荡;这更准确地称为相位同步,例如相干光束组合。 下面将处理这两种类型的同步。

同步锁模激光器的脉冲

锁模激光器发射非常规则的超短脉冲序列。 如果两个这样的激光器以完全相同的脉冲重复率运行,则可能发生一个激光器发射的每个脉冲在时间上与另一个激光器的一个脉冲重合,并且这种情况持续很长时间。

如果激光处于主动锁模状态,则发射的脉冲自然与电子驱动信号同步。 然而,这种激光器的稳定工作通常需要一个作用于谐振器长度的有源反馈系统,因为用于主动模式锁定的光调制器只有非常有限的功率将循环脉冲“拉”到所需的时间位置。 在被动模式锁定的情况下,谐振器长度控制(或用于控制谐振器往返时间的类似消息)是控制脉冲定时的唯一方法。

即使谐振器长度的极小变化也会在几分之一秒内强烈影响脉冲时序。

相对脉冲时序可能会受到各种效应的干扰。 在大多数情况下,它主要受到激光谐振器长度漂移和机械振动的影响。 例如,考虑发射1-ps脉冲的激光,脉冲重复率为100 MHz。 如果谐振器长度仅变化1 nm,这意味着每次往返的时序误差为≈3.3(阿秒)。 虽然不是很多,但在一百万次谐振器往返(即0.01秒内)内,累积脉冲定时误差已经达到3.3 ps,即脉冲持续时间的几倍,并且脉冲的时间重叠丢失。 同样,微小的温度变化(例如在激光晶体内)也会影响脉冲定时。 快速振动不是一个问题,因为脉冲定时在这种振动的短振荡周期内不能漂移很远。

由于脉冲定时对各种效应的灵敏度极高,这种激光器的长期同步运行需要使用一些自动反馈系统。 修改谐振器长度非常容易,例如,将压电换能器安装在其中一个谐振镜下方,范围为例如几微米;更大的挑战是精确测量定时误差,以获得合适的误差信号来驱动传感器。

平衡光交叉相关器可用于获得非常精确的时序误差信号。

在许多情况下,超快光电探测器和电子设备可实现的测量精度不足以达到此目的。 然而,有全光学技术 - 特别是使用光学交叉相关器。 在这里,必须比较时序的两个脉冲被发送到非线性晶体中,其中只有当两个脉冲在晶体内相遇时,才能发生一些非线性相互作用(例如总和频率生成)。 一个中等速度的光电探测器,记录非线性混频产物,传递信号,这非常敏感地取决于相对时序 - 然而,没有告诉时序误差的迹象,这当然与找到所需的谐振器长度校正有关。 为了获得有关该符号的信息,可以使用平衡交叉相关器,其中创建两个这样的信号,其中其中一个对其中一个脉冲施加小的定时变化,以便从两个探测器获得最大信号对于略有不同的相对时序。 然后,两个信号的差值提供了一个合适的误差信号,提供非常高的时序判别(例如,每皮秒几伏特的时序误差甚至更多)以及所需的符号信息。

精心同步的激光系统可以表现出极小的定时抖动。

如果这种自动反馈系统运行良好,并且激光器可以很好地防止振动、温度变化、泵浦功率波动等,则剩余的定时抖动可能非常小:在某些情况下,它的均方根值远低于飞秒[6],即脉冲持续时间的很小一部分。

谐振器长度的控制是最常用的,但不是唯一的可能性。 例如,已经表明,被动锁模激光器的时序也会受到撞击用于模式锁定的可饱和吸收体的控制脉冲的影响[3]。 此外,如果两个激光器可以通过激光晶体中的交叉相位调制相互作用,则被动同步是可能的,例如[2,9]。

放大激光源的同步可能涉及额外的技术挑战。

也可以同步超快放大器的输出以实现高脉冲能量。 这种放大器通常包含一个再生放大器,其中放大的脉冲进行多次谐振器往返。 然而,获得的脉冲定时可以非常精确 - 不受用于注入和提取脉冲的Pockels电池的开关精度的限制。 在放大器系统之前,通常使用脉冲选择器将脉冲重复率降低一定因素。 通过改变该划分因子,只能实现脉冲频率的航向调整;为了精细控制,需要控制种子激光器的脉冲重复率。

对于所讨论的脉冲同步类型,光学频率无关紧要,而只是脉冲包络;两个激光器之间的光学频率可能有很大差异。 然而,在某些情况下,不仅需要脉冲包络的同步,甚至需要电场振荡的相位同步(类似于连续波激光器的情况,见下文)。 例如,这种同步允许人们组合两个超短脉冲激光器,以便获得整体更宽的带宽和更短的输出脉冲[4]。 在这种情况下,需要两个独立的控制,作用于激光发射的两个不同参数:脉冲定时和载流子包络偏移。 例如,可以使用压电驱动镜和泵功率控制的组合。 有关更多详细信息,请参阅有关载体信封偏移的文章。

调Q激光器脉冲同步

主动调Q激光器同步的技术细节与锁模激光器非常不同:

  • 脉冲持续时间要长得多 - 通常为几纳秒或更长时间。 所需的精度通常只是脉冲持续时间的一小部分(例如十分之一)。 例如,如果进行某种非线性频率转换(例如总和或差分频率生成),这就足够了。
  • 谐振器长度不是关键参数,因为脉冲时序基本上由增益动态决定,谐振器长度的小变化对脉冲持续时间的影响很小。

触发信号和有限脉冲之间的延迟很大,在许多情况下,它会大幅波动,例如由于泵功率波动。

  • 主动调Q激光器中的脉冲发射可以通过所使用的光调制器(例如声光调制器)简单地触发。 然而,输出脉冲总是有一些明显的延迟,相当于脉冲持续时间的一大倍。 这意味着当需要脉冲时,必须提前知道。
  • 此外,上述脉冲延迟可能会大幅波动,例如,如果存储在激光晶体中的能量并不总是相同的:存储的能量越多,增益越高,脉冲延迟就越小。 如果需要同步两个不同的主动Q开关激光器,其中一个可能需要比另一个更早的触发信号,并且两个激光器都必须进行优化,以使脉冲延迟相当可重复。

对于被动调Q激光器,情况也有所不同。 在这里,可以通过泵浦增益介质来触发脉冲发射,使光增益变得足够高以进行脉冲发射。 脉冲泵浦可以实现相对精确的定时,但泵浦脉冲和发射脉冲之间仍然存在明显的延迟。 在连续泵送的情况下,导致或多或少有规律的脉冲序列的发射,泵浦功率可用于调节脉冲重复率。

连续波激光器的相位同步

连续波激光器的相位同步意味着其输出的电场振荡是同步的。 由于光学频率非常高,这意味着极高的定时精度 - 远低于一个光学周期,可能只持续几飞秒。

一种相对简单的方法是注射锁定。 在这里,一个激光器(主激光器)的输出被注入另一个激光器(从属激光器);在合适的条件下,这将迫使从属激光器同步发射相位。

相反,也可以使用基于主动反馈的方法。 需要以下内容:

  • 两种激光器都需要针对非常窄的发射线宽进行优化,即输出的随机相位变化非常弱。
  • 必须生成合适的错误信号。 这可以通过两个输出之间的干涉轻松获得,例如在分光镜上。 分束器后面两个光电探测器的电子信号差异清楚地说明了相位差是什么(在相位差的某个有限范围内)。
  • 至少一个激光器的光学频率需要相应地控制,例如使用压电驱动镜。

在改进的方案中,还可以稳定激光器,使得光发射频率的差异完全适合某些电子信号;同样,一种相位锁定是可能的。

量化同步质量

对于从激光到激光的单对脉冲,可以简单地将定时误差指定为脉冲最大值(或可能是时域中的“重心”)之间的时间差。 但是,通常需要有关时序误差的统计信息。 一种可能性是指定时序误差的功率谱密度。 在许多情况下,知道一些 r.m.s.(均方根)值就足够了,该值可以通过对某个频率范围(即某些噪声频率范围)的功率谱密度进行积分并取平方根来获得。 结果当然可以取决于提到的频率范围;因此,结果只有在与这两个值结合使用时才有意义。

对于相位同步,可以进行与定时同步相同的量化,只是用相位误差代替时序误差。

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