قفل مدی
تاریخچه

لیزرهای قفل مدی تاریخچه‌ای طولانی دارند که به کارهای گارز و مولر در ۱۹۶۳ برمی گردد. با این حال اولین بیانیه از پایهٔ این پدیده، یک سال بعد در کارهای لامبز دیده شد که قفل مدی سه مد را بررسی کرده بود. در این بازهٔ زمانی، لیزرها به صورت تحلیلی در قلمرو فرکانسی مورد بررسی قرار گرفتند و مشخص شد که لیزرها، مدهای طولی چندگانه، شبیه به اتالن فابری پرو دارند. دیدومنکو پیشگویی کرد که اگر مدهای یک کاواک بتوانند به گونه‌ای تشکیل شوند که رابطه فازی ثابتی با همدیگر داشته باشند، یعنی اگر بتوانند با یکدیگر قفل شوند (سرچشمهٔ عبارت قفل مدی)، می‌توان از رابطه تبدیل فوریه میان دو قلمرو زمانی و فرکانسی، به یک پالس کوتاه در زمان دست یافت مستقل از کارهای دیدومنکو، نخستین لیزر قفل مدی به صورت تجربی توسط هارگرو، فورکو پولاک ساخته شد، هنگامی که آن‌ها یک مدولاتور آکستواپتیک را برای مدوله کردن تلفات (قفل مدی AM) درون یک کاواک لیزری به کار بردند که نرخ مدولاسیونی برابر نرخ تکرار کاواک داشت. در همان سال، هریسو تارگ برای به دست آوردن قفل مدی FM، یک مدولاتور فرکانسی را درون یک کاواک لیزری به کار گرفتند.
کارهای تئوری بر روی قفل مدی FM، درست پس از نخستین کارهای تجربی، توسط هریس و مک داف انجام شد. در ۱۹۶۵، پس از اینکه موکر و کولینز دریافتند که رنگینه قابل اشباع که برای Q-سوییچ کردن لیزرهای یاقوت قرمز به کار می‌رفت، همچنین می‌تواند برای قفل مدی کردن لیزر به کار رود، نخستین لیزر قفل مدی کنش پذیر را اختراع کردند. در این کار، موکر و کولینز دریافتند که پالس Q-سوییچشان به پالس‌های کوتاه تری شکافته می‌شود. با این حال این نمونه از قفل مدی پدیده‌ای گذرا و غیرقابل پیش‌بینی بود. مک کلور بررسی کرد که چگونه کارکرد لیزر به طول کاواک و مکان مدولاتور در کاواک بستگی دارد و احتمالاً نخستین کسی بود که قفل مدی در هماهنگ‌های بالاتر را به دست آورد. قفل مدی لیزر در نرخ تکرار بالاتر از نرخ تکرار پایه کاواک، با جزییات بیشتر در ۱۹۸۶ توسط هیرانو و کیمورا بررسی شد که نشان داد که سه روش مفید برای بالا بردن نرخ تکرار، کاهش طول کاواک، ساخت یک کاواک جفت شده و درایو کردن مدولاتور در نرخ تکرار بالاتر از نرخ تکرار اصلی کاواک است. سرانجام هفت سال پس از نخستین آزمایش قفل مدی کنش پذیر، ایپن، شانک و داینس نخستین کسانی بودند که لیزر قفل مدی کنش پذیر با قطار پالسی پایدار را در ۱۹۷۲ ساختند.
همهٔ کارهای تئوری اولیه روی قفل مدی، منحصراً در قلمرو فرکانسی انجام گرفته بود. اگر چه چنین طرز عملی نتایج بسیار عالی برای لیزرهای پیوسته (برای نمونه لامبز قادر به پیشگویی پهن شدگی دوپلری و توضیح چال سوزی بود) و حتی برای قفل مدی (دیدومنکو قادر به پیشگویی قفل مدی AM و هریس و مک داف قادر به توضیح قفل مدی FM بودند) در گذشته آورد، اما نیاز به یک روند در قلمرو زمانی نیز وجود داشت. در ۱۹۷۰، کویژنگا و سیگمن چنین روشی را در قلمرو زمانی برای قفل مدی کنش گر انجام دادند. چنین روندی آن‌ها را به پیشگویی شکل و پهنای پالس‌های قفل مدی شده به روشی ساده قادر ساخت و همچنین به صورت تجربی نیز تأیید شد. با به‌کارگیری روشی که کویژنگا و سیگمن به کار گرفته بودند، کیم، ماراسه و رابسون نشان دادند که پالس‌ها باید به صورت یک تابع هرمیت-گوسی باشند و شکل گوسی پالس فرض شده توسط کویژنگا و سیگمن، تنها یک خانواده از حل‌های مجاز است. دو سال بعد، هاوس نشان داد که توابع هرمیت-گوسی مراتب بالاتر ناپایدارند و بنابراین تنها شکل پالس گوسی از نظر فیزیکی قابل دست یابی است. به علاوه هاوس تلاش کرد تا توصیف‌های قلمرو فرکانسی و زمانی قفل مدی را با هم وفق دهد. پس از آن، هاوس نخستین شیوه تحلیلی برای لیزرهای پیوسته قفل مدی شده کنش پذیر را با فرض یک جاذب اشباعی سریع و با به‌کارگیری شیوهٔ قلمرو زمانی سیگمن پیشرفت داد.
در نهایت در ۱۹۹۱، اثرات فضایی-زمانی برای تولید پالس‌های ۶۰ فمتوثانیه‌ای با کریستال Ti:Sapphire هم به عنوان محیط بهره و هم به عنوان قفل مدی‌کننده به کار گرفته شد. در این روش، که به عنوان قفل مدی عدسی کر (KLM) شناخته می‌شود، بهرهٔ بالاتر در یک ناحیهٔ فضایی کوچک متمرکز می‌شود (KLM روزنه نرم) یا یک روزنه در پشت محیط بهره قرار می‌گیرد (KLM روزنه سخت) تا نورهایی که به اندازه کافی جایگزیده نیستند را حذف کند. اثر غیر خطی خود کانونی شوندگی، برای غلبه بر اثر کنش پذیر پهن شدگی پراش-القا برای شدت‌های بالا به کار می‌رود. با وارد کردن یک روزنه، سخت یا نرم، کارکرد پالسی بر روی کارکرد پیوسته قرار می‌گیرد و لیزر به صورت کنش پذیر قفل مدی می‌شود. کوتاه‌ترین پالس تولید شده تاکنون از این شیوه قفل مدی به دست آمده‌است که دارای نرخ تکرار کمتر از ۱۰۰ مگاهرتز است.