Was ist ein pulsierter Laser?

Die direkteste Methode, um Laserpulse zu erzeugen, besteht darin, einen Modulator außerhalb des kontinuierlichen Lasers hinzuzufügen.Es verschwendet Lichtenergie und die Spitzenleistung darf die Dauerlichtleistung nicht übersteigen.Eine effizientere Methode zur Erzeugung von Laserpulsen besteht daher darin, die Laserhöhle zu modulieren, Energie in der ausgeschalteten Zeit des Pulszugs zu speichern und rechtzeitig freizusetzen.Der Vergleich der beiden Methoden ist wie folgt::

Die vier häufig verwendeten Techniken zur Erzeugung von Impulsen durch Laser-Hohlraummodulation sind Gewinnschalten, Q-Schalten (Verlustschalten), Hohlraumentleeren und Modusverriegelung.

Der Verstärkungsschalter erzeugt kurze Impulse, indem er die Pumpenleistung moduliert.Halbleiter-Verstärkungsschallaser können Impulse von wenigen Nanosekunden bis zu hundert Pikosekunden durch Strommodulation erzeugenObwohl die Pulsenergie gering ist, ist diese Methode sehr flexibel, da sie eine verstellbare Wiederholungsrate und eine verstellbare Pulsbreite bietet.

Starke Nanosekundenpulse werden in der Regel durch Q-Switched-Laser erzeugt.und die Pulsenergie reicht von einigen Millijoule bis zu mehreren Joule, was speziell mit der Größe des Systems zusammenhängt.

Pikosekunden- und Femtosekunden-Impulse mit mittlerer Energie (im Allgemeinen unter 1 μJ) werden hauptsächlich durch modiegeschlossene Laser erzeugt.Es gibt einen oder mehrere ultrakurze Impulse in kontinuierlichen Zyklen innerhalb der Laser-Resonanz-HöhleJedes Mal, wenn der Hohlraumimpuls durch den Ausgangskopplungsspiegel geht, gibt er einen Impuls ab, wobei die Wiederholungsfrequenz im allgemeinen zwischen 10 MHz und 100 GHz liegt.Die folgende Abbildung zeigt eine vollständig normale Dispersion (ANDi) dissipative Soliton femtosecond Faserlaser-GerätDie überwiegende Mehrheit kann mit Standardkomponenten von Thorlabs gebaut werden (Faser, Linse, Montagesitz und Versetzungsstadium).

Die Kavitätslüftungstechnologie kann nicht nur bei Q-Switched-Lasern angewendet werden, um kürzere Impulse zu erhalten, sondern auch bei modiegeschlossenen Lasern, um die Impulsenenergie bei einer niedrigeren Wiederholungsrate zu erhöhen.

Zeit- und Frequenz-Impulse
Die lineare Form eines mit der Zeit variierenden Impulses ist im Allgemeinen einfach und kann durch Gauss- und sech2-Funktionen dargestellt werden.Die Pulszeit (auch als Pulsbreite bezeichnet) wird am häufigsten durch den Wert der halben Breite (FWHM) ausgedrückt., d. h. die Breite, über die die optische Leistung mindestens die Hälfte der Spitzenleistung beträgt. Kurze Impulse auf Nanosekundenniveau werden durch Q-Switched-Laser erzeugt,und ultrakurze Impulse (USP) von Zehntausenden von Pikosekunden bis Femtosekunden werden durch modiegeschlossene Laser erzeugt. Hochgeschwindigkeitselektronik kann nur Impulse von zehn Picosekunden am schnellsten messen. Kürzere Impulse können nur durch reine optische Techniken wie Autocorrelatoren, FROG und SPIDER gemessen werden.

Ist die Form des Impulses bekannt, wird die Beziehung zwischen der Impulsenergie (Ep), der Spitzenleistung (Pp) und der Impulssbreite (tp) nach der folgenden Formel berechnet:

Unter ihnen ist fs ein Koeffizient, der mit der Pulsform zusammenhängt, etwa 0,94 für Gauss-Pulse und etwa 0,88 für sech2-Pulse, aber im Allgemeinen wird er ungefähr als 1 berechnet.

Die Bandbreite eines Impulses kann durch Frequenz, Wellenlänge oder Winkelfrequenz ausgedrückt werden.wobei λ und ν die zentrale Wellenlänge bzw. Frequenz sind, und Δλ und Δν sind die Bandbreiten in Wellenlänge bzw. Frequenz.

Bandbreitenbegrenzungsimpuls
Für eine spezifische Pulsform ist die Spektralbreite des Impulses am kleinsten, wenn es kein Zischen gibt.Das Produkt seiner Pulszeit und Frequenzbandbreite ist eine KonstanteDie Zeit-Bandbreitenprodukte der bandbreitengeschränkten Gauss- und sech2-Impulse sind etwa 0,441 und 0.315Auf dieser Grundlage können auch die Chirpgröße des tatsächlichen Impulses und die kumulative Gruppenverzögerungsdispersion berechnet werden.

Je enger die Pulsbreite ist, desto breiter ist das erforderliche Fourier-Spektrum.Während die Bandbreite eines Attosekundenimpulses noch größer ist, und seine Mittelfrequenz muss viel höher sein als jede sichtbare Lichtfrequenz.

Faktoren, die die Pulsbreite beeinflussen

Obwohl sich die Pulsbreite von Nanosekunden- oder längeren Impulsen während der Ausbreitung kaum ändert, können sich auch über große Entfernungen Ultrakorte Impulse durch verschiedene Faktoren beeinflussen:

Die Dispersion kann zu einer signifikanten Ausweitung des Puls verursachen, kann aber mit der entgegengesetzten Dispersion wieder komprimiert werden.Die folgende Abbildung zeigt das Arbeitsprinzipdiagramm des Thorlabs Femtosekunden-Impulskompressors, der die Mikroskopdispersion kompensiert.

Die Nichtlinearität beeinflusst im Allgemeinen nicht direkt die Pulsbreite, verursacht aber eine Erweiterung der Bandbreite, wodurch der Puls während der Ausbreitung anfälliger für Dispersion wird.

Jede Art von Glasfaser (einschließlich anderer Verstärkungsmedien mit begrenzter Bandbreite) kann die Bandbreite oder die Form des ultrakürzen Impulses beeinflussen, und eine Verringerung der Bandbreite kann zu einer Zeitvergrößerung führen.Es gibt auch Fälle, in denen sich die Pulsbreite von stark zitternden Impulsen verkürzt, wenn das Spektrum schrumpft.