Najprostszą metodą generowania impulsów laserowych jest dodanie modulatora zewnętrznego do lasera ciągłego. Metoda ta wytwarza impulsy o szybkości rzędu pikosekund, co jest proste, ale powoduje marnowanie energii optycznej, a moc szczytowa nie może przekroczyć ciągłej mocy optycznej. Dlatego też bardziej efektywną metodą generowania impulsów laserowych jest modulacja wewnątrzwnękowa, w której energia jest magazynowana w momencie wyłączenia impulsu i uwalniana w momencie jego włączenia.
Cztery popularne techniki stosowane do generowania impulsów poprzez modulację we wnęce lasera to przełączanie wzmocnienia, przełączanie Q (przełączanie strat), inwersja wnęki i blokowanie trybu.
Przełączanie wzmocnienia generuje krótkie impulsy poprzez modulację mocy pompy. Na przykład lasery z przełączaniem wzmocnienia diodowego są w stanie generować impulsy w zakresie od kilku nanosekund do stu pikosekund poprzez modulację prądu. Chociaż energia impulsu jest niska, metoda ta jest bardzo elastyczna, na przykład zapewniając przestrajalną częstotliwość i szerokość impulsu. Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego zgłosili w 2018 r. femtosekundowy laser półprzewodnikowy z przełączaniem wzmocnienia, co sygnalizuje przełom w eliminowaniu wąskiego gardła technologicznego od 40-lat.
Silne impulsy nanosekundowe są zwykle generowane przez lasery z przełączaniem Q, w których laser jest emitowany w ciągu kilku rund wewnątrz wnęki, a energia impulsów mieści się w zakresie od kilku milidżulów do kilku dżuli, w zależności od wielkości systemu.
Impulsy pikosekundowe i femtosekundowe o umiarkowanej energii (zwykle poniżej 1 μJ) są generowane głównie przez lasery z synchronizacją modów, z jednym lub większą liczbą ultrakrótkich impulsów występujących w ciągłej pętli w obrębie wnęki rezonansowej lasera, przy czym impulsy wewnątrz wnęki są emitowane pojedynczo przez wyjście zwierciadłem sprzęgającym i częstotliwością ponowną mieszczącą się zazwyczaj w zakresie od 10 MHz do 100 GHz. Poniższy rysunek przedstawia konfigurację lasera światłowodowego femtosekundowego z dyspersją normalną (ANDi), która może być zbudowana z większości standardowych komponentów firmy Thorlabs (włókno, soczewka, uchwyt i stopień przemieszczenia).
Techniki inwersji wnęki można stosować zarówno w przypadku laserów z przełączaniem Q w celu uzyskania krótszych impulsów, jak i w przypadku laserów z synchronizacją modów w celu zwiększenia energii impulsu przy niższej częstotliwości ponownej.
Impulsy w dziedzinie czasu i częstotliwości
Liniowy kształt impulsu w czasie jest na ogół prosty i można go wyrazić jako funkcję Gaussa i sech². Czas trwania impulsu (znany również jako szerokość impulsu) jest najczęściej wyrażany jako wartość o połowie szerokości i dużej wielkości (FWHM), tj. szerokość rozpięta przez moc optyczną wynoszącą co najmniej połowę mocy szczytowej; krótkie impulsy nanosekundowe są wytwarzane przez lasery z przełączaniem Q, a ultrakrótkie impulsy (USP) trwające od kilkudziesięciu pikosekund do femtosekund są wytwarzane przez lasery z synchronizacją modów. Szybka elektronika może najszybciej mierzyć zaledwie kilkadziesiąt pikosekund, a krótsze impulsy można mierzyć jedynie za pomocą technik czysto optycznych, takich jak autokorelatory, FROG i SPIDER.
Jeżeli znany jest kształt impulsu, zależność pomiędzy energią impulsu (Ep), mocą szczytową (Pp) i szerokością impulsu (𝜏p) oblicza się według następującego równania:
gdzie fs jest współczynnikiem związanym z kształtem impulsu, który wynosi w przybliżeniu {{0}},94 dla impulsów Gaussa i 0,88 dla impulsów sech², ale ogólnie jest przybliżany przez 1.
Szerokość pasma impulsu można wyrazić w kategoriach częstotliwości, długości fali lub częstotliwości kątowej. Jeśli szerokość pasma jest mała, szerokość pasma długości fali i częstotliwości jest przeliczana za pomocą następującego równania, gdzie λ i ν to odpowiednio środkowa długość fali i częstotliwość, a Δλ i Δν to odpowiednio szerokość pasma długości fali i częstotliwości.
Impuls ograniczający szerokość pasma
W przypadku określonego kształtu impulsu impuls ma najmniejszą szerokość widmową przy braku chirpu, co nazywa się impulsem ograniczonym szerokością pasma lub impulsem ograniczonym transformacją Fouriera, gdzie iloczyn czasu impulsu i szerokości pasma częstotliwości jest stałą, czyli nazywany produktem czasowo-przepustowym (TBP). Iloczyn czasu impulsu i szerokości pasma częstotliwości jest stałą zwaną iloczynem szerokości pasma czasu (TBP). Produkty szerokości pasma czasowego impulsów Gaussa i sech² o ograniczonym paśmie wynoszą odpowiednio około 0.441 i 0.315; na tej podstawie można obliczyć rzeczywisty ćwierkający impuls i skumulowaną dyspersję opóźnienia grupowego.
Dlatego węższe szerokości impulsów wymagają szerszych widm Fouriera. Na przykład impuls 10 fs musi mieć szerokość pasma co najmniej rzędu 30 THz, podczas gdy impuls attosekundowy ma jeszcze większą szerokość pasma, a jego częstotliwość środkowa musi być znacznie wyższa od jakiejkolwiek częstotliwości światła widzialnego.
Czynniki wpływające na szerokość impulsu
Podczas gdy impulsy nanosekundowe lub dłuższe rozchodzą się z niewielką lub żadną zmianą szerokości impulsu, nawet na duże odległości, na ultrakrótkie impulsy może wpływać wiele czynników:
Dyspersja chromatyczna może prowadzić do dużych rozproszeń impulsów, chociaż można je ponownie skompresować za pomocą przeciwnej dyspersji, jak pokazano na poniższym schemacie, który ilustruje działanie Femtosekundowego kompresora impulsów Thorlabs w celu kompensacji dyspersji mikroskopu.
Nieliniowości na ogół nie wpływają bezpośrednio na szerokość impulsu, ale mogą prowadzić do szerszych szerokości pasma i sprawić, że impuls będzie bardziej podatny na dyspersję podczas propagacji.
Każdy rodzaj światłowodu (w tym inne media wzmacniające o ograniczonej przepustowości) może wpływać na szerokość pasma lub kształt ultrakrótkiego impulsu, a zmniejszenie szerokości pasma może prowadzić do wydłużenia czasu; zdarzają się również przypadki, w których silnie ćwierkane impulsy mają krótszą szerokość impulsu w miarę zawężania się widma.
