Самый простой метод генерации лазерных импульсов — добавить внешний модулятор к лазеру непрерывного действия. Этот метод генерирует импульсы со скоростью пикосекунд, что является простым, но приводит к потере оптической энергии, а пиковая мощность не может превышать непрерывную оптическую мощность. Поэтому более эффективным методом генерации лазерных импульсов является внутрирезонаторная модуляция, при которой энергия сохраняется во время выключения всплеска и высвобождается во время включения.
Четырьмя распространенными методами, используемыми для генерации импульсов посредством модуляции внутри резонатора лазера, являются переключение усиления, переключение добротности (переключение с потерями), инверсия резонатора и синхронизация мод.
Переключение усиления генерирует короткие импульсы путем модуляции мощности накачки. Например, диодные лазеры с переключением усиления способны генерировать импульсы длительностью от нескольких наносекунд до ста пикосекунд за счет модуляции тока. Хотя энергия импульса невелика, этот метод очень гибок, например, обеспечивая настраиваемую частоту повторения и ширину импульса. В 2018 году исследователи из Токийского университета сообщили о фемтосекундном полупроводниковом лазере с переключением усиления, что стало прорывом в 40-летнем технологическом узком месте.
Сильные наносекундные импульсы обычно генерируются лазерами с модуляцией добротности, где лазер излучается за несколько проходов внутрь резонатора, с энергией импульса в диапазоне от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей, в зависимости от размера системы.
Пикосекундные и фемтосекундные импульсы средней энергии (обычно ниже 1 мкДж) генерируются в основном лазерами с синхронизацией мод, при этом один или несколько ультракоротких импульсов присутствуют в непрерывном контуре внутри лазерного резонансного резонатора, при этом внутрирезонаторные импульсы испускаются по одному через выход. зеркало связи и с частотой повторения, которая обычно находится в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц. На рисунке ниже показана диссипативная солитонная фемтосекундная волоконная лазерная установка с полностью нормальной дисперсией (ANDi), которая может быть построена с использованием большинства стандартных компонентов Thorlabs (волокна, линзы, крепления и столика смещения).
Методы инверсии резонатора можно использовать как для лазеров с модуляцией добротности для получения более коротких импульсов, так и для лазеров с синхронизацией мод для увеличения энергии импульса при более низкой повторной частоте.
Импульсы во временной и частотной области
Линейная форма импульса во времени, как правило, проста и может быть выражена как функция Гаусса и sech². Длительность импульса (также известная как ширина импульса) чаще всего выражается как значение половины ширины-большой амплитуды (FWHM), т. е. ширина, охватываемая оптической мощностью, равной по крайней мере половине пиковой мощности; короткие наносекундные импульсы производятся лазерами с модуляцией добротности, а ультракороткие импульсы (USP) длительностью от нескольких десятков пикосекунд до фемтосекунд производятся лазерами с синхронизацией мод. Высокоскоростная электроника может измерять лишь несколько десятков пикосекунд с максимальной скоростью, а более короткие импульсы можно измерить только с помощью чисто оптических методов, таких как автокорреляторы, лягушки и пауки.
Если форма импульса известна, соотношение между энергией импульса (Ep), пиковой мощностью (Pp) и шириной импульса (𝜏p) рассчитывается по следующему уравнению:
где fs — коэффициент, связанный с формой импульса, который составляет примерно {{0}},94 для гауссовских импульсов и 0,88 для импульсов sech², но обычно приближается к 1.
Ширина полосы импульса может быть выражена через частоту, длину волны или угловую частоту. Если полоса пропускания мала, полоса пропускания длины волны и частоты преобразуется с использованием следующего уравнения, где λ и ν — центральная длина волны и частота соответственно, а Δλ и Δν — полоса пропускания по длине волны и частоте соответственно.
Импульс ограничения полосы пропускания
Для импульса определенной формы импульс имеет наименьшую спектральную ширину при отсутствии чирпа, который называется импульсом с ограниченной полосой пропускания или импульсом, ограниченным преобразованием Фурье, где произведение времени импульса и полосы пропускания частоты является константой, которая равна называется произведением пропускной способности времени (TBP). Произведение времени импульса и полосы частот представляет собой константу, называемую произведением ширины полосы времени (TBP). Произведения на ширину полосы пропускания гауссовских импульсов с ограниченной полосой пропускания и импульсов sech² составляют около 0.441 и 0.315 соответственно; На основе этого можно рассчитать фактический чирп импульса и кумулятивную дисперсию групповой задержки.
Следовательно, более узкая ширина импульса требует более широкого спектра Фурье. Например, импульс длительностью 10 фс должен иметь полосу пропускания не менее порядка 30 ТГц, тогда как аттосекундный импульс имеет еще большую полосу пропускания, а его центральная частота должна быть значительно выше любой частоты видимого света.
Факторы, влияющие на ширину импульса
В то время как наносекундные или более длинные импульсы распространяются с небольшим изменением ширины импульса или вообще без него, даже на большие расстояния, на ультракороткие импульсы могут влиять различные факторы:
Хроматическая дисперсия может привести к большому разбросу импульсов, хотя их можно повторно сжать с противоположной дисперсией, как показано на диаграмме ниже, которая иллюстрирует работу компрессора фемтосекундных импульсов Thorlabs для компенсации дисперсии микроскопа.
Нелинейности обычно не влияют напрямую на ширину импульса, но они могут привести к расширению полосы пропускания и сделать импульс более восприимчивым к дисперсии при распространении.
Любой тип волокна (включая другие усиливающие среды с ограниченной полосой пропускания) может повлиять на полосу пропускания или форму ультракороткого импульса, а сокращение полосы пропускания может привести к расширению времени; бывают также случаи, когда сильно чирпированные импульсы имеют меньшую ширину по мере сужения спектра.
