Femtoszekundumos impulzusok alakformálása
Az optikában a femtoszekundumos impulzusok alakformálása[1] egy olyan technológia, amely az ultrarövid (mintegy 10−15 másodperc hosszúságú) lézerimpulzusok változó tulajdonságait módosítja. Az impulzus-alakformálás során célként jelenhet meg az optikai impulzus rövidítése vagy meghosszabbítása, de bonyolultabb impulzusok generálása is megvalósulhat.
Bevezetés szerkesztés
Az ultrarövid optikai impulzussorozatok generálása kulcsfontosságú az ultragyors optikai hálózatok megvalósításában. Erre példák az Optical Code Division Multiple Access rendszerek (Optical Code Division Multiple Access (OCDMA), vagyis a minden vevő hozzáférésén alapuló kódosztásos optikai multiplexelési technika, lásd még: CDMA), kémiai és biológiai reakciók triggerelése és monitorozása stb. Az impulzusformáló berendezés tervezésekor számításba kell venni, hogy a kívánt eredmény a bemenő impulzus megnyújtása, rövidítése vagy impulzussorozattá alakítása-e. Impulzussorozatok generálása femtoszekundumos vagy pikoszekundumos elválasztással az optikai információ igen nagy sebességű továbbítását is magába foglalja.
Technikák szerkesztés
Az impulzusformálót egy modulátorként tudjuk elképzelni. A bemenő impulzust megszorozzuk egy moduláló függvénnyel, hogy a kívánt kimenő impulzust kapjuk. A moduláló függvény lehet az idő vagy a frekvencia függvénye is (melyet az impulzus időprofiljának Fourier-transzformációjából kaphatunk). Ez kétféle ismert femtoszekundumos impulzus-alakformáló technikát eredményez:
a) Közvetlen tér-idő megfeleltetésen alapuló impulzus-alakformálás (Direct space-to-time Pulse Shaping, továbbiakban DST-PS)
b) Fourier-transzformációval történő impulzus-alakformálás (Fourier transform Pulse Shaping, továbbiakban FT-PS)
Közvetlen tér-idő megfeleltetésen alapuló impulzus-alakformálás szerkesztés
A DST-PS módszerben a kimenő impulzussorozat egyenesen arányos a rendszer moduláló függvényével. Feleljen meg egy optikai impulzus jelenléte 1, hiánya 0 értékeknek. Ekkor az impulzusok közlésével vagy kihagyásával információ szállítható, amely így egy egyesekből és nullákból álló jelsorozat lesz. A DST-PS jellemzője, hogy a moduláló függvény bármilyen kívánt kimenő jelsorozat esetén azonos. Például, ha a rendszer moduláló függvénye binárisan 1101, a kimenő optikai impulzus-jelsorozat is 1101 lesz.
Fourier-transzformációval történő impulzus-alakformálás szerkesztés
Ellentétben a DST-PS módszerrel a FT-PS során olyan moduláló függvényt használunk, amely a kívánt sorozatnak Fourier-transzformáltja. Ez magával vonja, hogy egy meghatározott időbeli impulzussorozatnak a moduláló függvény a Fourier-transzformáltja a frekvencia szerint. Ezt a technológiát azért használjuk, mert az optikában egy lencse a bemenő fény Fourier-transzformáltját állítja elő. Egy tipikus FT-PS a bemenő lézerből, a Fourier-transzformációt végző lencséből (az idő-információ frekvencia-információvá alakítása), egy moduláló függvényből (ami lehet fázis- vagy intenzitásmoduláció) és egy második lencséből áll, amely egy második Fourier-transzformációt végez (a frekvenciában tárolt információt visszaalakítja időben tárolt információvá). Az FT-PS során egy meghatározott kimenő jel eléréséhez a moduláló függvény egyszerűen annak Fourier-transzformáltja.
Az FT-PS részletei szerkesztés
Egy jól definiált elektromos térrel rendelkező ultrarövid impulzus egy megfelelő, frekvenciában ható szűrővel módosítható. Matematikailag Fourier-transzformált, szűrt és visszaalakított impulzus alkotja az új impulzust:
Olyan optikai elrendezés is elképzelhető, amely egy tetszőleges, akár komplex értékű szűrőfüggvényt tartalmaz, amíg . Az 1. ábra bemutatja, hogyan lehet egy sávszélesség-korlátozott impulzust egy chirp-elt impulzussá alakítani (olyan szűrő segítségével, amely csak a fázisra hat) vagy egy még bonyolultabb impulzussá (egy olyan szűrővel, amely a fázisra és az amplitúdóra is hat).
Optikai tervezés szerkesztés
Alapelvek szerkesztés
Általában az impulzus-alakformáló egy 4f konfigurációjú impulzusnyújtón alapszik, amelyben a nyújtó éppen nem nyújtja és nem is rövidíti a beérkező impulzust. Ezt mutatja be a 2. ábra. Egy diffrakciós rács a különböző frekvenciájú (hullámhosszú) komponenseket különböző irányokba irányítja, és minden frekvenciakomponens a fókuszsík egy meghatározott pontjába fókuszálódik. Egy második rács és egy tükör újra egyesíti a különböző frekvenciakomponenseket. A két lencse fókusztávolsága f, és az első rács közepének a második rács közepétől vett távolsága .
A fókuszsíkban a nem kívánt frekvenciakomponensek könnyen blokkolhatók, amely egy valós értékű szűrőfüggvényt jelent, amely a frekvenciát nem befolyásolja.
Annak érdekében, hogy a szűrő a frekvenciakomponenseket befolyásolja, használhatunk egy átlátszó anyagból készült, változó vastagságú lapot. Így egy frekvencia-függő késleltetést alkalmazunk, amint a 3. ábra is mutatja. Felvetődhetne, hogy nagyobb hullámhosszúság mellett a rendszerben további eltolás lép fel (az ábrán vörös szín jelzi), ám a valóságban az impulzus együttesen rövidebb utat tesz meg, mivel a fény kevesebb utat tesz meg a jobb szélső rácsig. Ez összhangban van azzal a ténnyel, hogy egy Fourier-szűrő (lineáris fázistolás) ekvivalens egy idő-eltolással.
Az impulzus alakjának még érdekesebb formálására négyzetes, vagy magasabb rendű fázistolást kell alkalmazni, mint ahogyan a 4. és 5. ábrák mutatják.
Aktív szűrők szerkesztés
A fenti példákban statikus szűrők működnek. A folyadékkristályos technológiával tetszőleges szűrőket is alkalmazhatunk, amelyek fázis- és amplitudóspektrumát számítógép segítségével állíthatjuk be. A Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan (MIIPS) egy, a számítógép-vezérlésű térbeli fénymoduláló eszköz visszacsatolt fázis-vezérlésén alapszik. Ebben az esetben a fókuszsíkban elhelyezett statikus fázistoló eszköz helyett elektronikusan változtatható fázistolású térbeli fénymodulátort alkalmazunk. A klasszikus folyadékkristályos alakformáló kimenetét egy nemlineáris kristállyal és egy spektrométerrel vizsgáljuk, amelyek kimenetét használjuk a folyadékkristályos alakformáló frekvenciafüggő fázistolásának optimalizálására. Ezzel a módszerrel alakítani és jellemezni is tudjuk az impulzust, például optimalizált csúcsenergia és vagy az adott spektrummal elérhető legrövidebb impulzus (Transform-Limited pulse) eléréséhez. Ez a technológia egy egyszerű optikai elrendezésben, mozgó elemek nélkül teszi lehetővé az ultrarövid impulzus teljes kalibrációját és kontrollját.
Egy másik lehetőség az akuszto-optikai eszközökkel módosítja az impulzusok alakját. A gyakorlatban kétféle konstrukcióra van példa. Az egyikben a hang- és fényimpulzusok csoportsebessége párhuzamos, és a különböző frekvenciájú hangkomponensek fázisai közvetlenül a megfelelő frekvenciájú fénykomponensek fázisait tolják el. Ilyen például a Dazzler, amelynek problematikája az impulzus-ismétlődési frekvencia, amelynek a hangsebesség szab korlátot. A másik konstrukcióban az akuszto-optikai elem nagyfrekvenciájú lézeroszcillátorokkal is alkalmazható, mert a hangsebesség nem korlátoz, hiszen a hang és a fény csoportsebessége nem párhuzamos. Itt több keskenysávú akusztikus frekvencia-csatornát alkalmazunk, amelyek fázisa egymástól függetlenül állítható és együttesen lefedik a lézerimpulzus spektrumát. Jó példa erre a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen is kutatott többfrekvenciás, nemkollineáris AO szűrőt alkalmazó rendszer. [1]
Tervezés egyszeres és kétszeres áthaladással szerkesztés
A fenti elrendezésben a fény mindkét rácsot kétszer érinti. Sok alkalmazásban a jobb oldali visszareflektáló tükröt elhagyják, ami a rendszert egyszerűsíti. Egy ilyen egy utas elrendezés legfőbb hátránya abban áll, hogy a különböző frekvenciakomponensek térben nem fedik egymást, ahogyan a 4. és 5. ábrán is látható. Ugyanakkor számos alkalmazás ezt a térbeli szétválást tolerálja.
Hasonló technológiák szerkesztés
- Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan (MIIPS) ezzel a módszerrel az ultrarövid impulzusok karakterizációjára és manipulálására van lehetőség.
Jegyzetek szerkesztés
- ↑ Weiner, A. M. (2000. május 1.). „Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators”. Review of Scientific Instruments 71 (5), 1929-1960. o. DOI:doi:10.1063/1.1150614. ISSN 00346748. (Hozzáférés: 2013. június 12.) [halott link]
Fordítás szerkesztés
- Ez a szócikk részben vagy egészben a Femtosecond pulse shaping című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
További információk szerkesztés
- Fastlite Ultrafast Scientific Instrumentation - Dazzler femtosecond puse shaper (Az Optikai jelfeldolgozás ismertetése tartalmazza az akuszto-optikai impulzus alakformálás sematikus ismertetését is.)
- BME Atomfizika Tanszék, kutatási területek (Az Optikai jelfeldolgozás ismertetése tartalmazza az akuszto-optikai impulzus alakformálás sematikus ismertetését is.)
Ajánlott irodalom szerkesztés
- Andrew M. Weiner. Ultrafast Optics. Wiley (2009). ISBN 978-0-471-41539-8