أكثر الطرق مباشرة لتوليد نبضات الليزر هي إضافة معدل خارج الليزر المستمر. يمكن لهذه الطريقة توليد أسرع نبضات بمستوى البيكو ثانية. على الرغم من أنها بسيطة، إلا أنها تهدر طاقة الضوء ولا يمكن أن تتجاوز القدرة القصوى القدرة المستمرة للضوء. لذلك، فإن الطريقة الأكثر كفاءة لتوليد نبضات الليزر هي تعديل تجويف الليزر، وتخزين الطاقة في وقت إيقاف تشغيل قطار النبضات وإطلاقها في وقت التشغيل. فيما يلي مقارنة بين الطريقتين:
التقنيات الأربع شائعة الاستخدام لتوليد النبضات من خلال تعديل تجويف الليزر هي تبديل الكسب، وتبديل Q (تبديل الخسارة)، وتفريغ التجويف، وتثبيت النمط.
يقوم مفتاح الكسب بتوليد نبضات قصيرة عن طريق تعديل طاقة المضخة. على سبيل المثال، يمكن لليزر ذي مفتاح الكسب شبه الموصل أن يولد نبضات تتراوح من بضع نانوثوانٍ إلى مائة بيكو ثانية من خلال تعديل التيار. على الرغم من أن طاقة النبضة منخفضة، إلا أن هذه الطريقة مرنة للغاية، مثل توفير معدل تكرار قابل للتعديل وعرض النبضة.
يتم توليد نبضات قوية بالنانو ثانية بشكل عام بواسطة ليزرات Q-switched. يتم إصدار الليزر في غضون عدة رحلات ذهابًا وإيابًا في التجويف، وتتراوح طاقة النبضة من بضعة مللي جول إلى عدة جول، وهو ما يرتبط على وجه التحديد بحجم النظام.
يتم توليد نبضات البيكو ثانية والفيمتو ثانية متوسطة الطاقة (أقل من 1 ميكرو جول بشكل عام) بشكل أساسي بواسطة ليزرات مقفلة بالنمط. توجد نبضة أو أكثر من النبضات فائقة القصر في دورات مستمرة داخل تجويف رنين الليزر. في كل مرة تمر فيها نبضة التجويف عبر مرآة اقتران الإخراج، فإنها تنبعث منها نبضة واحدة، وعادة ما يكون تردد التكرار بين 10 ميجاهرتز و 100 جيجاهرتز. يوضح الشكل التالي جهاز ليزر ألياف فيمتو ثانية ذات ذوبان مشتت (ANDi) بالكامل. يمكن بناء الغالبية العظمى منه باستخدام مكونات Thorlabs القياسية (الألياف والعدسة ومقعد التركيب ومرحلة الإزاحة).
يمكن تطبيق تقنية تهوية التجويف ليس فقط على ليزرات Q-switched للحصول على نبضات أقصر ولكن أيضًا على ليزرات مقفلة بالنمط لزيادة طاقة النبضة بمعدل تكرار أقل.
نبضات المجال الزمني والمجال الترددي
عادة ما يكون الشكل الخطي للنبضة المتغيرة بمرور الوقت بسيطًا ويمكن تمثيله بوظائف Gaussian و sech² . غالبًا ما يتم التعبير عن وقت النبضة (المعروف أيضًا باسم عرض النبضة) بواسطة قيمة العرض نصف الارتفاع (FWHM)، وهو العرض الذي تكون فيه القدرة البصرية على الأقل نصف القدرة القصوى. يتم توليد نبضات قصيرة بمستوى النانو ثانية بواسطة ليزرات Q-switched، ويتم إنتاج نبضات فائقة القصر (USP) تتراوح من عشرات البيكو ثانية إلى الفيمتو ثانية بواسطة ليزرات مقفلة بالنمط. يمكن للإلكترونيات عالية السرعة قياس نبضات بعشرات البيكو ثانية فقط في أسرع وقت. لا يمكن قياس النبضات الأقصر إلا عن طريق التقنيات البصرية البحتة، مثل المترابطات الذاتية و FROG و SPIDER.
إذا كان شكل النبضة معروفًا، يتم حساب العلاقة بين طاقة النبضة (Ep) والقدرة القصوى (Pp) وعرض النبضة (tp) وفقًا للصيغة التالية:
من بينها، fs هو معامل يتعلق بشكل النبضة، حوالي 0.94 لنبضات Gaussian وحوالي 0.88 لنبضات sech²، ولكن بشكل عام، يتم حسابه تقريبًا على أنه 1.
يمكن التعبير عن عرض النطاق الترددي للنبضة عن طريق التردد أو الطول الموجي أو التردد الزاوي. إذا كان عرض النطاق الترددي صغيرًا، يتم تحويل عرض النطاق الترددي للطول الموجي والتردد باستخدام الصيغة التالية، حيث λ و ν هما الطول الموجي والتردد المركزيين على التوالي، و Δλ و Δν هما عرضي النطاق الترددي المعبر عنهما من حيث الطول الموجي والتردد على التوالي.
نبضة محدودة بعرض النطاق الترددي
بالنسبة لشكل نبضة معين، يكون العرض الطيفي للنبضة هو الأصغر عندما لا يكون هناك تشويش. في هذا الوقت، نسميها النبضة المحدودة بعرض النطاق الترددي أو تحويل فورييه. حاصل ضرب وقت النبضة وعرض النطاق الترددي هو ثابت، ويسمى هذا الثابت حاصل ضرب الوقت وعرض النطاق الترددي (TBP). يبلغ حاصل ضرب الوقت وعرض النطاق الترددي لنبضات Gaussian و sech² المحدودة بعرض النطاق الترددي حوالي 0.441 و 0.315 على التوالي. بناءً على ذلك، يمكن أيضًا حساب كمية التشويش للنبضة الفعلية وتشتت تأخير المجموعة التراكمي.
لذلك، كلما كان عرض النبضة أضيق، كلما كان طيف فورييه المطلوب أوسع. على سبيل المثال، يجب أن يكون عرض النطاق الترددي لنبضة 10 fs على الأقل من ترتيب 30 THz، في حين أن عرض النطاق الترددي لنبضة الأتو ثانية أكبر، ويجب أن يكون ترددها المركزي أعلى بكثير من أي تردد للضوء المرئي.
العوامل المؤثرة على عرض النبضة
على الرغم من أن عرض النبضة للنبضات بالنانو ثانية أو الأطول بالكاد يتغير أثناء الانتشار، حتى على مسافات طويلة، فقد تتأثر النبضات فائقة القصر بعوامل مختلفة:
قد يتسبب التشتت في اتساع كبير للنبضة، ولكن يمكن إعادة ضغطه بالتشتت المعاكس. يوضح الشكل التالي مخطط مبدأ العمل لضاغط نبضات فيمتو ثانية Thorlabs الذي يعوض عن تشتت المجهر.
لا تؤثر اللاخطية بشكل عام بشكل مباشر على عرض النبضة، لكنها ستتسبب في اتساع عرض النطاق الترددي، مما يجعل النبضة أكثر عرضة للتشتت أثناء الانتشار.
قد يؤثر أي نوع من الألياف الضوئية (بما في ذلك وسائط الكسب الأخرى ذات النطاق الترددي المحدود) على عرض النطاق الترددي أو شكل النبضة فائقة القصر، وقد يؤدي الانخفاض في عرض النطاق الترددي إلى اتساع الوقت. هناك أيضًا حالات يتقلص فيها عرض النبضة للنبضات المشوشة بشدة مع تضييق الطيف.