Najjednostavniji metod generisanja laserskih impulsa je dodavanje modulatora izvan kontinualnog lasera. Ova metoda proizvodi impulse brze od pikosekunde, što je jednostavno, ali troši optičku energiju, a vršna snaga ne može premašiti kontinuiranu optičku snagu. Stoga je efikasnija metoda generiranja laserskih impulsa modulacija unutar šupljine, gdje se energija pohranjuje u vrijeme prekida praska i oslobađa u vrijeme uključenja.
Četiri uobičajene tehnike koje se koriste za generiranje impulsa kroz modulaciju unutar laserske šupljine su preklapanje pojačanja, Q-switching (prekidanje gubitka), inverzija šupljine i zaključavanje moda.
Prebacivanje pojačanja generiše kratke impulse modulacijom snage pumpe. Na primjer, diodni laseri s komutacijom pojačanja su sposobni generirati impulse u rasponu od nekoliko nanosekundi do stotinu pikosekundi kroz modulaciju struje. Iako je energija impulsa niska, ova metoda je vrlo fleksibilna, na primjer, pruža podesivu ponovnu frekvenciju i širinu impulsa. Istraživači sa Univerziteta u Tokiju izvijestili su o femtosekundnom poluprovodničkom laseru sa komutacijom pojačanja 2018. godine, signalizirajući proboj u 40-godišnjem tehnološkom uskom grlu.
Snažne nanosekundne impulse tipično generiraju laseri s Q-switchedom, gdje se laser emituje u roku od nekoliko kružnih putovanja unutar šupljine, s energijama impulsa u rasponu od nekoliko milidžula do nekoliko džula, ovisno o veličini sistema.
Pikosekundni i femtosekundni impuls umjerene energije (obično ispod 1 μJ) generiraju se prvenstveno laseri s zaključavanjem moda, s jednim ili više ultrakratkih impulsa prisutnim u kontinuiranoj petlji unutar laserske rezonantne šupljine, pri čemu se impulsi unutar šupljine emituju jedan po jedan kroz izlaz spojno ogledalo, i sa ponovnom frekvencijom koja je općenito u rasponu od 10 MHz do 100 GHz. Slika ispod prikazuje potpuno normalnu disperziju (ANDi) disipativni soliton femtosekundni fiber laser setup, koji se može napraviti sa velikom većinom Thorlabs standardnih komponenti (vlakna, sočiva, montaža i stepen pomaka).
Tehnike inverzije šupljine mogu se koristiti i za lasere s Q-switchedom za dobijanje kraćih impulsa i za lasere sa zaključavanjem moda da bi se povećala energija impulsa na nižoj re-frekvenciji.
Impulsi u vremenskom i frekventnom domenu
Linearni oblik impulsa tokom vremena općenito je jednostavan i može se izraziti kao Gaussova i sech² funkcija. Trajanje impulsa (takođe poznato kao širina impulsa) najčešće se izražava kao vrijednost pola širine-visoke magnitude (FWHM), tj. širina koju pokriva optička snaga od najmanje polovine vršne snage; kratke nanosekundne impulse proizvode Q-switched laseri, a ultrakratke impulse (USP) od nekoliko desetina pikosekundi do femtosekunde proizvode laseri sa zaključavanjem moda. Elektronika velike brzine može najbrže izmjeriti samo nekoliko desetina pikosekundi, a kraći impulsi mogu se mjeriti samo uz pomoć čisto optičkih tehnika kao što su autokorelatori, žabe i pauci.
Ako je oblik impulsa poznat, odnos između energije impulsa (Ep), vršne snage (Pp) i širine impulsa (𝜏p) izračunava se prema sljedećoj jednadžbi:
gdje je fs koeficijent vezan za oblik impulsa, koji je približno {{0}}}.94 za Gausove impulse i 0,88 za sech² impulse, ali je općenito aproksimiran sa 1.
Širina opsega impulsa može se izraziti u terminima frekvencije, talasne dužine ili ugaone frekvencije. Ako je propusni opseg mali, širina talasne dužine i frekvencije se pretvaraju koristeći sljedeću jednadžbu, gdje su λ i ν središnja valna dužina i frekvencija, respektivno, a Δλ i Δν su širina pojasa u valnoj dužini i frekvenciji, respektivno.
Puls ograničenja propusnosti
Za određeni oblik impulsa, impuls ima najmanju spektralnu širinu u odsustvu chirp-a, što se naziva impulsom ograničenim propusnim opsegom ili Fourier-ovom transformacijom-ograničenim impulsom, gdje je proizvod vremena impulsa i širine frekvencijskog pojasa konstanta, što je nazvan proizvod vremenskog opsega (TBP). Proizvod vremena impulsa i frekvencijskog opsega je konstanta koja se naziva proizvod vremenskog opsega (TBP). Produkti vremenskog opsega Gaussovih i sech² impulsa sa ograničenim propusnim opsegom su oko 0.441 i 0.315, respektivno; stvarni cvrkut impulsa i kumulativna disperzija grupnog kašnjenja mogu se izračunati iz ovoga.
Stoga, uže širine impulsa zahtijevaju šire Fourierove spektre. Na primjer, puls od 10 fs mora imati propusni opseg od najmanje reda od 30 THz, dok puls attosekunde ima još veći opseg, a njegova središnja frekvencija mora biti znatno iznad bilo koje frekvencije vidljive svjetlosti.
Faktori koji utiču na širinu pulsa
Dok se nanosekundni ili duži impulsi šire s malo ili bez promjene širine impulsa, čak i na velikim udaljenostima, na ultrakratke impulse može utjecati niz faktora:
Hromatska disperzija može dovesti do velikog širenja impulsa, iako se mogu ponovo komprimirati suprotnom disperzijom, kao što je prikazano na dijagramu ispod, koji ilustruje rad Thorlabs femtosekundnog pulsnog kompresora za kompenzaciju disperzije mikroskopa.
Nelinearnosti općenito ne utječu direktno na širinu impulsa, ali mogu dovesti do širih propusnih opsega i učiniti impuls podložnijim disperziji u širenju.
Bilo koja vrsta vlakna (uključujući druge medije za pojačavanje sa ograničenim propusnim opsegom) može uticati na propusni opseg ili oblik ultrakratkog impulsa, a smanjenje propusnog opsega može dovesti do vremenskog proširenja; postoje i slučajevi u kojima snažno čirpirani impulsi imaju kraće širine impulsa kako se spektar sužava.
