カーレンズモードロック

カーレンズモード同期（KLM ）は、非線形光学カー効果を介してレーザーをモード同期する 方法です。この方法により、数フェムト秒という短い持続時間を持つ光パルスを生成できます。

光カー効果は、光学媒体が電磁波の電界に対して非線形応答を起こすことによって生じるプロセスである。媒体の屈折率は電界の強さに依存する。 ^[1]

ガウスビーム（レーザー共振器に見られるような）の不均一な電力密度分布のため、屈折率はビームプロファイル全体で変化します。ビームが受ける屈折率は、ビームの端よりも中央で大きくなります。したがって、アクティブカー媒体のロッドは、高強度の光のレンズとして機能します。これは自己集束と呼ばれ、極端な場合には材料の破壊につながります。レーザーキャビティでは、光の短いバーストは連続波とは異なって集束されます。

連続波よりもパルスモードを優先するために、連続波動作に対してキャビティを不安定にすることができますが、多くの場合、低い安定性は、アパーチャ効果を重視したキャビティ設計の副産物です。古い設計では、単に遮断するハードアパーチャが使用されていましたが、最近の設計では、ゲイン媒体のポンプ領域とパルス間の重なりを意味するソフトアパーチャが使用されています。自由なレーザービームに対するレンズの影響は非常に明白ですが、キャビティ内では、ビーム全体がこの変化に適応しようとします。平面ミラーとレーザー結晶内の熱レンズを備えた標準的なキャビティでは、エンドミラー上のビーム幅が最小になります。追加のカーレンズにより、エンドミラー上の幅はさらに小さくなります。したがって、小さなエンドミラー (ハードアパーチャ) ではパルスが優先されます。Ti:サファイア発振器では、強度を高めるために結晶の周囲に望遠鏡が挿入されます。

ソフト アパーチャについては、熱レンズを備えた無限大レーザー結晶を考えてみましょう。レーザー ビームは、ガラス ファイバーのように誘導されます。カー レンズを追加すると、ビーム幅が狭くなります。実際のレーザーでは、結晶は有限です。両側のキャビティには凹面ミラーがあり、その後、平面ミラーまでの比較的長い経路があります。連続波光は、より大きなビーム幅とわずかな発散で結晶の端面から出ます。凹面ミラー上のより小さな領域を照らすため、平面ミラーに向かう途中でビーム幅が小さくなります。そのため、回折が強くなります。発散のため、光は実質的により離れた点から来ることになり、凹面ミラーの後でより収束します。この収束は回折とバランスが取れています。パルス光は、端面からより小さなビーム幅と発散なしで出ます。そのため、凹面ミラー上のより広い領域を照らし、その後は収束が少なくなります。そのため、連続波とパルス光の両方の前面が、自分自身に反射されます。共焦点キャビティに近いキャビティは不安定性に近いことを意味し、ビーム径がキャビティの変化に敏感であることを意味します。これにより変調が強調されます。わずかに非対称なキャビティでは、キャビティが長くなると回折が強調され、連続波動作では不安定になりますが、パルス動作では安定しています。

KLM に使用される媒体の長さは、群速度分散によって制限されます。KLM は、キャリア エンベロープ オフセット制御に使用されます。

カーレンズモードロックの開始は、関与する非線形効果の強さに依存します。レーザー場がキャビティ内に蓄積されると、レーザーは連続波動作の領域を克服する必要がありますが、これはポンピング機構によって有利になることがよくあります。これは、レーザー場の強度の小さな変化（レーザー場の蓄積または確率的変動）によってモードロックするのに十分な非常に強いカーレンズ効果によって達成できます。

モードロックは、共振器キャビティのエンドミラーをキックして電力密度を変えながら、最適焦点を連続波動作からパルス動作にシフトすることによっても開始できます (ただし、ピエゾマウントの同期振動エンドミラーの方が「ターンキー」です)。その他の原理には、飽和吸収体や飽和ブラッグ反射体などのさまざまな非線形効果があり、カーレンズ効果プロセスを開始するのに十分な短さのパルスを誘発します。

ナノ秒単位の強度変化はカーレンズ効果によって増幅され、パルス長はさらに短くなり、パルスの中心でより高い電界強度を実現します。このシャープ化プロセスは、レーザー材料とキャビティミラーで実現可能な帯域幅とキャビティの分散によってのみ制限されます。特定のスペクトルで実現可能な最短パルスは、帯域幅制限パルスと呼ばれます。

チャープミラー技術により、高い安定性と低い損失を維持しながら、材料の分散によるキャビティ内の異なる波長のタイミングの不一致を補正できます。

カー効果は、カーレンズと自己位相変調を同時に引き起こします。第一近似では、これらを独立した効果として考えることができます。

カーレンズモードロックは電界に直接反応する効果であるため、応答時間は十分速く、長さが 5フェムト秒未満である可視および近赤外線の光パルスを生成します。電界強度が高いため、集束された超短レーザービームは 10 ¹⁴ W cm ⁻²の閾値を克服することができ、これは原子内の電子イオン結合の電界強度を超えます。

これらの短いパルスは、超高速光学という新しい分野を切り開きます。これは、原子内の電子の動きの測定（アト秒現象）、コヒーレントな広帯域光生成（超広帯域レーザー）などのまったく新しいクラスの現象へのアクセスを提供する非線形光学の分野であり、それによって、光センシング（コヒーレントレーザーレーダー、超高解像度光コヒーレンストモグラフィーなど）、材料処理、計測（極めて正確な周波数と時間の測定）などの他の分野における多くの新しいアプリケーションを生み出します。

1. DE Spence、PN Kean、W. Sibbett、Opt. Lett. 16、42(1991)。
2. M. ピチェ、Opt.共通。 86、156(1991)。
3. B. Proctor、E. Westwig、F. Wise、Opt. Lett. 18、1654(1993)。
4. V. マーニ、G. セルッロ、S. デ シルヴェストリ、Opt.共通。 101、365(1993)。