Najjednostavnija metoda generiranja laserskih impulsa je dodavanje modulatora izvan kontinuiranog lasera. Ova metoda proizvodi impulse brze od pikosekundi, što je jednostavno, ali gubi optičku energiju, a vršna snaga ne može premašiti kontinuiranu optičku snagu. Stoga je učinkovitija metoda generiranja laserskih impulsa intrakavitetna modulacija, gdje se energija pohranjuje u trenutku isključenja praska i oslobađa u trenutku uključenja.
Četiri uobičajene tehnike koje se koriste za generiranje impulsa putem modulacije unutar laserske šupljine su promjena pojačanja, Q-sklopka (prebacivanje gubitaka), inverzija šupljine i zaključavanje načina.
Prebacivanje pojačanja generira kratke impulse moduliranjem snage pumpe. Na primjer, diodni laseri s promjenom pojačanja sposobni su generirati impulse u rasponu od nekoliko nanosekundi do stotinu pikosekundi kroz modulaciju struje. Iako je energija pulsa niska, ova metoda je vrlo fleksibilna, na primjer, pruža podesivu ponovnu frekvenciju i širinu pulsa. Istraživači sa Sveučilišta u Tokiju izvijestili su o femtosekundnom poluvodičkom laseru s promjenom pojačanja 2018., signalizirajući napredak u 40-godišnjem tehnološkom uskom grlu.
Snažne nanosekundne impulse obično generiraju laseri s Q-sklopkom, gdje se laser emitira unutar nekoliko krugova unutar šupljine, s energijama impulsa u rasponu od nekoliko milijula do nekoliko džula, ovisno o veličini sustava.
Pikosekundni i femtosekundni impulsi umjerene energije (općenito ispod 1 μJ) generiraju se primarno pomoću lasera s zaključanim modom, s jednim ili više ultrakratkih impulsa prisutnih u kontinuiranoj petlji unutar laserske rezonantne šupljine, s impulsima unutar šupljine koji se emitiraju jedan po jedan kroz izlaz. spojnog zrcala i s ponovnom frekvencijom koja je općenito u rasponu od 10 MHz do 100 GHz. Donja slika prikazuje disipativni solitonski femtosekundni fiber laser s potpuno normalnom disperzijom (ANDi), koji se može izgraditi s velikom većinom Thorlabsovih standardnih komponenti (vlakno, leća, nosač i pomični stupanj).
Tehnike inverzije šupljine mogu se koristiti i za lasere s Q-sklopkom za dobivanje kraćih impulsa i za lasere s zaključanim modom za povećanje energije pulsa pri nižoj ponovnoj frekvenciji.
Impulsi vremenske i frekvencijske domene
Linearni oblik pulsa tijekom vremena općenito je jednostavan i može se izraziti kao Gaussova i sech² funkcija. Trajanje impulsa (također poznato kao širina impulsa) najčešće se izražava kao vrijednost polovice širine visoke magnitude (FWHM), tj. širina obuhvaćena optičkom snagom od najmanje polovice vršne snage; kratke nanosekundne impulse proizvode laseri s Q-sklopkom, a ultrakratke impulse (USP) od nekoliko desetaka pikosekundi do femtosekundi proizvode laseri s zaključanim modom. Elektronika velike brzine može izmjeriti samo nekoliko desetaka pikosekundi najbrže, a kraći impulsi mogu se mjeriti samo uz pomoć čisto optičkih tehnika kao što su autokorelatori, ŽABE i PAUCI.
Ako je oblik pulsa poznat, odnos između energije pulsa (Ep), vršne snage (Pp) i širine pulsa (𝜏p) izračunava se prema sljedećoj jednadžbi:
gdje je fs koeficijent povezan s oblikom impulsa, koji je približno {{0}}.94 za Gaussove impulse i 0,88 za sech² impulse, ali općenito je aproksimiran s 1.
Širina pojasa impulsa može se izraziti kao frekvencija, valna duljina ili kutna frekvencija. Ako je širina pojasa mala, širina pojasa valne duljine i frekvencije pretvaraju se pomoću sljedeće jednadžbe, gdje su λ i ν središnja valna duljina i frekvencija, a Δλ i Δν su širina pojasa u valnoj duljini i frekvenciji.
Impuls ograničenja propusnosti
Za određeni oblik impulsa, puls ima najmanju spektralnu širinu u odsutnosti chirpa, što se naziva impuls ograničen propusnošću ili Fourier-transformacijom, gdje je umnožak vremena pulsa i frekvencijskog pojasa konstanta, što je koji se naziva umnožak širine vremena (TBP). Umnožak vremena impulsa i širine pojasa frekvencije je konstanta koja se naziva produkt vremena i pojasa (TBP). Umnošci vremenske propusnosti propusno ograničenih Gaussovih i sech² impulsa su oko 0.441 odnosno 0.315; stvarni cvrkut pulsa i kumulativna disperzija grupnog kašnjenja mogu se izračunati iz ovoga.
Stoga uže širine impulsa zahtijevaju šire Fourierove spektre. Na primjer, impuls od 10 fs mora imati širinu pojasa od najmanje reda veličine 30 THz, dok impuls od atosekunde ima još veću širinu pojasa, a njegova središnja frekvencija mora biti znatno iznad bilo koje frekvencije vidljive svjetlosti.
Čimbenici koji utječu na širinu pulsa
Dok se nanosekundni ili dulji impulsi šire s malom ili nikakvom promjenom širine impulsa, čak i na velikim udaljenostima, na ultrakratke impulse mogu utjecati različiti čimbenici:
Kromatska disperzija može dovesti do velikog širenja pulsa, iako se oni mogu ponovno komprimirati sa suprotnom disperzijom, kao što je prikazano na donjem dijagramu, koji ilustrira rad Thorlabs femtosekundnog kompresora pulsa za kompenzaciju disperzije mikroskopa.
Nelinearnosti općenito ne utječu izravno na širinu impulsa, ali mogu dovesti do šireg pojasa i učiniti puls osjetljivijim na disperziju u širenju.
Bilo koja vrsta vlakana (uključujući druge medije za pojačanje s ograničenom propusnošću) može utjecati na propusnost ili oblik ultrakratkog impulsa, a smanjenje propusnosti može dovesti do vremenskog proširenja; također postoje slučajevi u kojima jako cvrkutavi impulsi imaju kraće širine impulsa kako se spektar sužava.
