C'est quoi un laser pulsé?

La façon la plus directe de générer des impulsions laser est d'ajouter un modulateur à l'extérieur du laser continu. Cette méthode peut générer les impulsions les plus rapides au niveau de la picoseconde. Bien qu'elle soit simple, elle gaspille de l'énergie lumineuse et la puissance de crête ne peut pas dépasser la puissance lumineuse continue. Par conséquent, une façon plus efficace de générer des impulsions laser est de moduler la cavité laser, en stockant l'énergie pendant le temps d'arrêt de la série d'impulsions et en la libérant pendant le temps d'activation. La comparaison des deux méthodes est la suivante :

Les quatre techniques couramment utilisées pour générer des impulsions par modulation de la cavité laser sont le gain switching, le Q-switching (commutation de perte), la vidange de la cavité et le mode-locking.

Le gain switch génère des impulsions courtes en modulant la puissance de pompe. Par exemple, les lasers à gain switch à semi-conducteurs peuvent générer des impulsions allant de quelques nanosecondes à une centaine de picosecondes grâce à la modulation du courant. Bien que l'énergie des impulsions soit faible, cette méthode est très flexible, par exemple en fournissant une fréquence de répétition et une largeur d'impulsion réglables.

Des impulsions nanosecondes fortes sont généralement générées par des lasers à Q-switch. Le laser est émis en plusieurs allers-retours dans la cavité, et l'énergie des impulsions varie de quelques millijoules à plusieurs joules, ce qui est spécifiquement lié à la taille du système.

Les impulsions picosecondes et femtosecondes de moyenne énergie (généralement inférieures à 1 μJ) sont principalement générées par des lasers à mode bloqué. Il existe une ou plusieurs impulsions ultracourtes en cycles continus dans la cavité de résonance laser. Chaque fois que l'impulsion de la cavité passe à travers le miroir de couplage de sortie, elle émet une impulsion, et la fréquence de répétition est généralement comprise entre 10 MHz et 100 GHz. La figure suivante montre un dispositif laser à fibre femtoseconde à soliton dissipatif à dispersion entièrement normale (ANDi). La grande majorité de celui-ci peut être construite à l'aide de composants standard Thorlabs (fibre, lentille, siège de montage et table de déplacement).

La technologie de ventilation de la cavité peut être appliquée non seulement aux lasers à Q-switch pour obtenir des impulsions plus courtes, mais aussi aux lasers à mode bloqué pour augmenter l'énergie des impulsions à une fréquence de répétition plus faible.

Impulsions dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel
La forme linéaire d'une impulsion variant avec le temps est généralement simple et peut être représentée par des fonctions gaussiennes et sech². Le temps d'impulsion (également appelé largeur d'impulsion) est le plus souvent exprimé par la valeur de la largeur à mi-hauteur (FWHM), qui est la largeur sur laquelle la puissance optique est au moins la moitié de la puissance de crête. Des impulsions courtes de niveau nanoseconde sont générées par des lasers à Q-switch, et des impulsions ultra-courtes (USP) allant de dizaines de picosecondes à des femtosecondes sont produites par des lasers à mode bloqué. L'électronique à grande vitesse ne peut mesurer que des impulsions de dizaines de picosecondes au plus vite. Des impulsions plus courtes ne peuvent être mesurées que par des techniques purement optiques, telles que les autocorrélateurs, FROG et SPIDER.

Si la forme de l'impulsion est connue, la relation entre l'énergie de l'impulsion (Ep), la puissance de crête (Pp) et la largeur de l'impulsion (tp) est calculée selon la formule suivante :

Parmi eux, fs est un coefficient lié à la forme de l'impulsion, environ 0,94 pour les impulsions gaussiennes et environ 0,88 pour les impulsions sech², mais en général, il est approximativement calculé comme 1.

La largeur de bande d'une impulsion peut être exprimée par la fréquence, la longueur d'onde ou la fréquence angulaire. Si la largeur de bande est petite, les largeurs de bande de longueur d'onde et de fréquence sont converties à l'aide de la formule suivante, où λ et ν sont respectivement la longueur d'onde et la fréquence centrales, et Δλ et Δν sont respectivement les largeurs de bande exprimées en termes de longueur d'onde et de fréquence.

Impulsion à limite de bande
Pour une forme d'impulsion spécifique, la largeur spectrale de l'impulsion est la plus petite lorsqu'il n'y a pas de chirp. À ce moment, nous l'appelons l'impulsion à limite de bande ou à transformée de Fourier. Le produit de son temps d'impulsion et de sa largeur de bande de fréquence est une constante, et cette constante est appelée produit temps-largeur de bande (TBP). Les produits temps-largeur de bande des impulsions gaussiennes et sech² à limite de bande sont respectivement d'environ 0,441 et 0,315. Sur cette base, la quantité de chirp de l'impulsion réelle et la dispersion cumulée du retard de groupe peuvent également être calculées.

Par conséquent, plus la largeur d'impulsion est étroite, plus le spectre de Fourier requis est large. Par exemple, la largeur de bande d'une impulsion de 10 fs doit être d'au moins l'ordre de 30 THz, tandis que la largeur de bande d'une impulsion attoseconde est encore plus grande, et sa fréquence centrale doit être beaucoup plus élevée que toute fréquence de lumière visible.

Facteurs influençant la largeur d'impulsion

Bien que la largeur d'impulsion des impulsions nanosecondes ou plus longues ne change presque pas pendant la propagation, même sur de longues distances, les impulsions ultracourtes peuvent être affectées par divers facteurs :

La dispersion peut provoquer un élargissement important des impulsions, mais elle peut être recompressée avec la dispersion opposée. La figure suivante montre le schéma de principe de fonctionnement du compresseur d'impulsions femtosecondes Thorlabs compensant la dispersion du microscope.

La non-linéarité n'affecte généralement pas directement la largeur d'impulsion, mais elle provoquera un élargissement de la largeur de bande, rendant l'impulsion plus sensible à la dispersion pendant la propagation.

Tout type de fibre optique (y compris d'autres milieux de gain à bande passante limitée) peut affecter la largeur de bande ou la forme de l'impulsion ultracourte, et une réduction de la largeur de bande peut entraîner un élargissement temporel. Il existe également des cas où la largeur d'impulsion des impulsions fortement chirpées se rétrécit à mesure que le spectre se rétrécit.