A lézerimpulzusok előállításának legegyszerűbb módja egy modulátor hozzáadása a folyamatos lézerhez. Ez a módszer pikoszekundum gyors impulzusokat állít elő, ami egyszerű, de pazarolja az optikai energiát, és a csúcsteljesítmény nem haladhatja meg a folyamatos optikai teljesítményt. Ezért a lézerimpulzusok előállításának hatékonyabb módszere az üregen belüli moduláció, ahol az energiát a burst kikapcsolási idején tárolják, és a bekapcsolási időben felszabadítják.
A lézerüregen belüli moduláción keresztül impulzusok generálására használt négy általános technika a következő: erősítés kapcsolás, Q-kapcsolás (veszteség kapcsolás), üreg inverzió és üzemmód zárolás.
Az erősítés kapcsolása a szivattyú teljesítményének modulálásával rövid impulzusokat generál. Például a dióda erősítésű lézerek árammodulációval képesek néhány nanoszekundum és száz pikoszekundum közötti tartományban impulzusokat generálni. Bár az impulzusenergia alacsony, ez a módszer nagyon rugalmas, például hangolható újrafrekvenciát és impulzusszélességet biztosít. A Tokiói Egyetem kutatói 2018-ban egy femtoszekundumos erősítéskapcsolós félvezető lézerről számoltak be, ami áttörést jelez egy 40-éves technológiai szűk keresztmetszetben.
Az erős nanoszekundumos impulzusokat jellemzően Q-kapcsolt lézerek állítják elő, ahol a lézer néhány oda-vissza kibocsátása az üreg belsejében történik, az impulzusenergiák a rendszer méretétől függően néhány millijoule és néhány joule közötti tartományban vannak.
Mérsékelt energiájú (általában 1 μJ alatti) pikoszekundumos és femtoszekundumos impulzusokat elsősorban üzemmód-zárt lézerek állítanak elő, egy vagy több ultrarövid impulzussal folyamatos hurokban a lézerrezonáns üregben, és az üregen belüli impulzusokat egyenként bocsátják ki a kimeneten keresztül. csatolótükörrel, és általában 10 MHz és 100 GHz közötti újrafrekvenciával. Az alábbi ábra egy teljesen normál diszperziós (ANDi) disszipatív szoliton femtoszekundumos szálas lézer-beállítást mutat be, amely a Thorlabs szabványos alkatrészeinek nagy többségével (szálas, lencse, rögzítési és eltolási fokozat) építhető.
Az üreg-inverziós technikák mind Q-kapcsolt lézereknél használhatók rövidebb impulzusok elérése érdekében, mind üzemmódzárolt lézereknél az impulzusenergia alacsonyabb újrafrekvenciájú növelésére.
Idő- és frekvenciatartomány impulzusok
Az impulzus időbeli lineáris alakja általában egyszerű, és Gauss- és sech²-függvényként fejezhető ki. Az impulzus időtartamát (más néven impulzusszélességet) leggyakrabban félszélesség-magas magnitúdó (FWHM) értékként fejezik ki, azaz a csúcsteljesítmény legalább felének megfelelő optikai teljesítmény szélességeként; a rövid nanoszekundumos impulzusokat Q-kapcsolt lézerek, a néhány tíz pikoszekundumtól femtoszekundumig terjedő ultrarövid impulzusokat (USP-k) pedig üzemmódzárolt lézerek állítanak elő. A nagysebességű elektronika a leggyorsabban csak néhány tíz pikoszekundumot képes mérni, rövidebb impulzusokat pedig csak tisztán optikai technikák, például autokorrelátorok, FROG-ok és PÓKOK segítségével lehet mérni.
Ha az impulzus alakja ismert, az impulzusenergia (Ep), a csúcsteljesítmény (Pp) és az impulzusszélesség (𝜏p) közötti összefüggést a következő egyenlet alapján számítjuk ki:
ahol fs az impulzus alakjához kapcsolódó együttható, amely hozzávetőlegesen {{0}},94 Gauss-impulzusoknál és 0,88 sech² impulzusoknál, de általában 1-gyel közelítjük.
Az impulzus sávszélessége kifejezhető frekvenciával, hullámhosszal vagy szögfrekvenciával. Ha a sávszélesség kicsi, a hullámhossz és a frekvencia sávszélességét a következő egyenlettel konvertáljuk, ahol λ és ν a középső hullámhossz és frekvencia, Δλ és Δν pedig a sávszélesség hullámhosszban és frekvenciában.
Sávszélesség-korlát impulzus
Egy adott impulzusforma esetén az impulzusnak van a legkisebb spektrális szélessége csipogás hiányában, amit sávszélesség-korlátozott vagy Fourier-transzformáció-korlátozott impulzusnak nevezünk, ahol az impulzusidő és a frekvenciasávszélesség szorzata egy állandó, ami az úgynevezett idősávszélesség szorzat (TBP). Az impulzusidő és a frekvencia sávszélesség szorzata egy állandó, az úgynevezett idősávszélesség szorzat (TBP). A sávszélesség-korlátozott Gauss- és sech²-impulzusok idősávszélesség-szorzata körülbelül 0.441 és 0.315; ebből számítható ki az impulzus tényleges csiripelése és a kumulatív csoportkésleltetési diszperzió.
Ezért a szűkebb impulzusszélességekhez szélesebb Fourier-spektrum szükséges. Például egy 10 fs-os impulzus sávszélessége legalább 30 THz nagyságrendű, míg az attoszekundumos impulzusok sávszélessége még nagyobb, és középfrekvenciájának jóval minden látható fény frekvenciája felett kell lennie.
Az impulzusszélességet befolyásoló tényezők
Míg a nanoszekundumos vagy hosszabb impulzusok az impulzusszélesség kismértékben vagy egyáltalán nem változnak, még nagy távolságokon is, az ultrarövid impulzusokat számos tényező befolyásolhatja:
A kromatikus diszperzió nagy impulzusszórásokhoz vezethet, bár ellentétes diszperzióval újra összenyomhatók, amint azt az alábbi diagram mutatja, amely a Thorlabs Femtoszekundumos impulzuskompresszor működését szemlélteti a mikroszkópos diszperzió kompenzálására.
A nemlinearitások általában nem befolyásolják közvetlenül az impulzus szélességét, de szélesebb sávszélességekhez vezethetnek, és az impulzus érzékenyebbé teheti a terjedés során bekövetkező diszperziót.
Bármilyen típusú szál (beleértve a korlátozott sávszélességű egyéb erősítő médiát is) befolyásolhatja a sávszélességet vagy az ultrarövid impulzus alakját, és a sávszélesség csökkenése az idő kiszélesedéséhez vezethet; vannak olyan esetek is, amikor az erősen csipogó impulzusok rövidebb impulzusszélességűek a spektrum szűkülésével.
