Η πιο απλή μέθοδος δημιουργίας παλμών λέιζερ είναι η προσθήκη ενός διαμορφωτή εξωτερικά στο συνεχές λέιζερ. Αυτή η μέθοδος παράγει παλμούς τόσο γρήγορα όσο τα picoseconds, κάτι που είναι απλό, αλλά σπαταλά την οπτική ενέργεια και η μέγιστη ισχύς δεν μπορεί να υπερβαίνει τη συνεχή οπτική ισχύ. Ως εκ τούτου, μια πιο αποτελεσματική μέθοδος παραγωγής παλμών λέιζερ είναι η διαμόρφωση εντός κοιλότητας, όπου η ενέργεια αποθηκεύεται στο off-time της έκρηξης και απελευθερώνεται στο χρόνο on-time.
Οι τέσσερις κοινές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία παλμών μέσω διαμόρφωσης εντός της κοιλότητας του λέιζερ είναι η μεταγωγή απολαβής, η μεταγωγή Q (εναλλαγή απώλειας), η αναστροφή κοιλότητας και το κλείδωμα λειτουργίας.
Η μεταγωγή απολαβής δημιουργεί βραχείς παλμούς διαμορφώνοντας την ισχύ της αντλίας. Για παράδειγμα, τα λέιζερ με διακόπτη κέρδους διόδου είναι ικανά να παράγουν παλμούς στην περιοχή από μερικά νανοδευτερόλεπτα έως εκατό picosecond μέσω της διαμόρφωσης ρεύματος. Αν και η ενέργεια του παλμού είναι χαμηλή, αυτή η μέθοδος είναι πολύ ευέλικτη, για παράδειγμα, παρέχοντας ρυθμίσιμη επανασυχνότητα και πλάτος παλμού. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο ανέφεραν ένα λέιζερ ημιαγωγών με διακόπτη κέρδους φέμτο δευτερολέπτου το 2018, σηματοδοτώντας μια σημαντική ανακάλυψη σε μια τεχνολογική συμφόρηση 40- ετών.
Ισχυροί παλμοί νανοδευτερόλεπτου παράγονται τυπικά από λέιζερ με μεταγωγή Q, όπου το λέιζερ εκπέμπεται εντός μερικών περιστροφών εντός της κοιλότητας, με ενέργειες παλμών στην περιοχή από μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου έως μερικά τζάουλ, ανάλογα με το μέγεθος του συστήματος.
Μέτρια ενέργεια (γενικά κάτω από 1 μJ) οι παλμοί picosecond και femtosecond παράγονται κυρίως από λέιζερ κλειδώματος τρόπου λειτουργίας, με έναν ή περισσότερους υπερμικρούς παλμούς που υπάρχουν σε συνεχή βρόχο εντός της κοιλότητας συντονισμού λέιζερ, με τους παλμούς της ενδοκοιλίας να εκπέμπονται έναν κάθε φορά μέσω της εξόδου κάτοπτρο σύζευξης και με επανασυχνότητα που είναι γενικά στην περιοχή από 10 MHz έως 100 GHz. Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια ρύθμιση λέιζερ ίνας ίνας ολικής διασποράς (ANDi) φέμτο δευτερολέπτου, η οποία μπορεί να κατασκευαστεί με τη μεγάλη πλειονότητα των τυπικών εξαρτημάτων της Thorlabs (ίνα, φακός, βάση στήριξης και μετατόπιση).
Οι τεχνικές αναστροφής κοιλότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για λέιζερ με μεταγωγή Q για λήψη μικρότερων παλμών όσο και για λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας για την αύξηση της ενέργειας παλμού σε χαμηλότερη επανασυχνότητα.
Παλμοί τομέα χρόνου και συχνότητας
Το γραμμικό σχήμα ενός παλμού με την πάροδο του χρόνου είναι γενικά απλό και μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση Gaussian και sech². Η διάρκεια παλμού (γνωστή και ως πλάτος παλμού) εκφράζεται συχνότερα ως τιμή μισού πλάτους-υψηλού μεγέθους (FWHM), δηλαδή το πλάτος που εκτείνεται από μια οπτική ισχύ τουλάχιστον της μισής ισχύος αιχμής. Οι σύντομοι παλμοί νανοδευτερόλεπτου παράγονται από λέιζερ με μεταγωγή Q και οι υπερμικροί παλμοί (USPs) μερικών δεκάδων picoseconds έως femtoseconds παράγονται από λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας. Τα ηλεκτρονικά υψηλής ταχύτητας μπορούν να μετρήσουν μόνο μερικές δεκάδες picosecond το ταχύτερο, και οι μικρότεροι παλμοί μπορούν να μετρηθούν μόνο με τη βοήθεια καθαρά οπτικών τεχνικών όπως οι αυτοσυσχετιστές, οι FROGs και οι SPIDER.
Εάν το σχήμα του παλμού είναι γνωστό, η σχέση μεταξύ της ενέργειας παλμού (Ep), της μέγιστης ισχύος (Pp) και του πλάτους παλμού (𝜏p) υπολογίζεται σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση:
όπου fs είναι ένας συντελεστής που σχετίζεται με το σχήμα του παλμού, ο οποίος είναι περίπου {{0}}.94 για τους παλμούς Gauss και 0,88 για τους παλμούς sech², αλλά γενικά προσεγγίζεται με 1.
Το εύρος ζώνης του παλμού μπορεί να εκφραστεί ως προς τη συχνότητα, το μήκος κύματος ή τη γωνιακή συχνότητα. Εάν το εύρος ζώνης είναι μικρό, το εύρος ζώνης μήκους κύματος και συχνότητας μετατρέπεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση, όπου λ και ν είναι το κεντρικό μήκος κύματος και συχνότητα, αντίστοιχα, και Δλ και Δν είναι το εύρος ζώνης σε μήκος κύματος και συχνότητα, αντίστοιχα.
Παλμός ορίου εύρους ζώνης
Για ένα συγκεκριμένο σχήμα παλμού, ο παλμός έχει το μικρότερο φασματικό πλάτος απουσία κελαηδήματος, το οποίο ονομάζεται παλμός περιορισμένου εύρους ζώνης ή περιορισμένου μετασχηματισμού Fourier, όπου το γινόμενο του χρόνου παλμού και του εύρους ζώνης συχνότητας είναι μια σταθερά, η οποία είναι που ονομάζεται προϊόν χρονικού εύρους ζώνης (TBP). Το γινόμενο του χρόνου παλμού και του εύρους ζώνης συχνότητας είναι μια σταθερά που ονομάζεται γινόμενο εύρους ζώνης χρόνου (TBP). Τα προϊόντα χρονικού εύρους ζώνης των παλμών Gaussian και sech² περιορισμένου εύρους ζώνης είναι περίπου 0.441 και 0.315, αντίστοιχα. Το πραγματικό τσιτάτο του παλμού και η αθροιστική διασπορά καθυστέρησης ομάδας μπορούν να υπολογιστούν από αυτό.
Επομένως, τα στενότερα πλάτη παλμών απαιτούν ευρύτερα φάσματα Fourier. Για παράδειγμα, ένας παλμός 10 fs πρέπει να έχει εύρος ζώνης τουλάχιστον της τάξης των 30 THz, ενώ ένας παλμός attosecond έχει ακόμη μεγαλύτερο εύρος ζώνης και η κεντρική του συχνότητα πρέπει να είναι πολύ πάνω από οποιαδήποτε συχνότητα ορατού φωτός.
Παράγοντες που επηρεάζουν το πλάτος του παλμού
Ενώ οι παλμοί νανοδευτερόλεπτων ή μεγαλύτεροι διαδίδονται με μικρή ή καθόλου αλλαγή στο πλάτος του παλμού, ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις, οι εξαιρετικά σύντομοι παλμοί μπορούν να επηρεαστούν από διάφορους παράγοντες:
Η χρωματική διασπορά μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλες διασπορές παλμών, αν και μπορούν να επανασυμπιεστούν με την αντίθετη διασπορά, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα, το οποίο απεικονίζει τη λειτουργία του Thorlabs Femtosecond Pulse Compressor για την αντιστάθμιση της διασποράς του μικροσκοπίου.
Οι μη γραμμικότητες γενικά δεν επηρεάζουν άμεσα το πλάτος του παλμού, αλλά μπορούν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερα εύρη ζώνης και να κάνουν τον παλμό πιο επιρρεπή στη διασπορά κατά τη διάδοση.
Οποιοσδήποτε τύπος ίνας (συμπεριλαμβανομένων άλλων μέσων απολαβής με περιορισμένο εύρος ζώνης) μπορεί να επηρεάσει το εύρος ζώνης ή το σχήμα του υπερβραχύ παλμού και η μείωση του εύρους ζώνης μπορεί να οδηγήσει σε διεύρυνση του χρόνου. Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις όπου οι παλμοί που κελαηδούν έντονα έχουν μικρότερα πλάτη παλμών καθώς το φάσμα στενεύει.
