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Lexikon der Optik: mode locking

mode locking, Modensynchronisation, Phasensynchronisation, die Herstellung bestimmter Phasenbeziehungen zwischen verschiedenen Longitudinalmoden (optischer Resonator) eines Lasers. Dabei soll die Phasendifferenz zwischen zwei frequenzmäßig benachbarten Moden stets den gleichen Wert besitzen. Es handelt sich hierbei um das Grundprinzip zur Erzeugung kurzer, intensiver Lichtimpulse mit Hilfe von Lasern (Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser).

Die mittlere Intensität

eines Strahlungsfeldes, das gleichzeitig in M hinsichtlich ihrer Frequenz in gleichen Abständen Δν voneinander liegenden Moden schwingt, ist im Falle statistischer Phasenbeziehungen gegeben durch

, wobei I0 die als gleich vorausgesetzte Intensität in den einzelnen Moden bezeichnet. In ihrem zeitlichen Verlauf (an einem festen Orte betrachtet) fluktuiert die Gesamtintensität regellos um diesen Mittelwert. Liegt jedoch m. l. vor, so hat die Strahlung die Form eines Impulses mit der maximalen Intensität Imax=M2I0 und der Dauer Δt=1/(MΔν). Die Impulsdauer wird somit um so kleiner, bei gleichzeitig quadratisch mit M zunehmender Spitzenintensität, je größer die Zahl der synchronisierten Moden ist. Zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse werden daher Laser mit einem sehr breiten Verstärkungsprofil (M

106) benötigt. M. l. läßt sich mit aktiven und passiven Verfahren erzielen.

1) Aktive Phasensynchronisation. Hierbei werden für den Laserbetrieb wesentliche Parameter wie der Resonatorverlust oder die Besetzungsinversion mit einer Frequenz moduliert, die genau dem Frequenzabstand Δν zwischen zwei benachbarten Moden entspricht. Auf diese Weise wird die zuerst anschwingende, mit ihrer Frequenz im Zentrum ν0 der Verstärkungskurve liegende Eigenschwingung mit Δν amplitudenmoduliert, was zum Auftreten zweier phasengleicher Seitenbänder bei den Frequenzen ν0±Δν führt. Diese stimmen gerade mit den Eigenfrequenzen der beiden benachbarten Resonatoreigenschwingungen überein, die damit phasensynchron anschwingen. Diese Moden bringen wiederum ihre Nachbarn zum Anschwingen usw., so daß schließlich alle anregbaren Eigenschwingungen des Resonators phasensynchron schwingen und damit m. l. vorliegt. Zur Modulation des Verlustes und damit der Intensität der Laserstrahlung benutzt man häufig einen (in den Laserresonator eingebrachten) elektrooptischen Modulator oder man erzeugt ein zeitlich variierendes Ultraschallgitter (akustooptischer Modulator), an dem die Strahlung gestreut wird und welches nur bei den Nulldurchgängen der Ultraschallamplitude verschwindet und damit verlustfrei durchlässig wird. Die erforderlichen Modulationsfrequenzen haben (entsprechend dem Modenabstand) Werte zwischen 10 und 150 MHz. Die erreichbaren Impulsdauern liegen im ns-Bereich, wobei sich die Impulse durch eine weitgehende Reproduzierbarkeit auszeichnen. Das Prinzip der aktiven Phasensynchronisation wird bei Edelgasionenlasern, dem Neodym-YAG-Laser u.a. angewendet.

2) Passive Phasensynchronisation. Hierbei erfolgt eine Auswahl von Impulsspitzen aus dem Strahlungsfeld, die während des Anlaufvorganges im Laser zufällig (als Folge zufälliger Phasensynchronisation) entstanden sind. Erreicht wird das durch einen in den Laserresonator eingebrachten sättigbaren Absorber mit einer kurzen Relaxationszeit (etwa 10-11 s). Durch ihn werden – sobald die Intensität der Strahlung dank der Verstärkung im aktiven Medium in den Bereich der Sättigungsintensität des Absorbers gelangt ist – Impulsspitzen mit Dauern, die kleiner als die Relaxationszeit sind, nur schwach absorbiert im Vergleich zu längeren und niedrigeren Impulsen. Sie wachsen daher bei weiteren Umläufen im Resonator heraus. Wenn ihre Intensität weiter zugenommen hat, wird der Absorber bereits vom Anfangsteil des Impulses gesättigt, und sie erfahren so im Absorber eine Verkürzung bei nahezu ungeänderter Maximalintensität. Durch geeignete Wahl des Absorbers läßt sich erreichen, daß nur ein Impuls im Resonator umläuft. Durch die Auskopplung entsteht so eine Impulsfolge mit Impulsen im zeitlichen Abstand 2L/c (Umlaufzeit im Resonator), wobei L die Länge des (Fabry-Perot-)Resonators und c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen. Nach dem Prinzip der passiven Phasensynchronisation erfolgt die Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse in Pikosekundenlasern wie auch – insbesondere unter Verwendung der weiterentwickelten Verfahren des colliding pulse mode locking, des coupled cavity mode locking und des Kerr-lens mode locking – in Femtosekundenlasern.

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