Τι είναι ένα παλμικό λέιζερ;

Ο πιο άμεσος τρόπος για την παραγωγή παλμών λέιζερ είναι η προσθήκη ενός διαμορφωτή έξω από το συνεχές λέιζερ.σπαταλά την ενέργεια του φωτός και η μέγιστη ισχύς δεν μπορεί να υπερβαίνει τη συνεχή ισχύ φωτόςΩς εκ τούτου, ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος για την παραγωγή παλμών λέιζερ είναι η διαμόρφωση της κοιλότητας του λέιζερ, αποθηκεύοντας ενέργεια στον χρόνο απόσβεσης της αλυσίδας παλμών και απελευθερώνοντάς την στο χρόνο.Η σύγκριση των δύο μεθόδων είναι η ακόλουθη::

Οι τέσσερις συνήθως χρησιμοποιούμενες τεχνικές για την παραγωγή παλμών μέσω της διαμόρφωσης του λέιζερ είναι η μετατόπιση κέρδους, η μετατόπιση Q (μετατόπιση απώλειας), η αδειοποίηση του κοιλότητας και η κλειδαριά της κατάστασης.

Ο διακόπτης αύξησης παράγει μικρούς παλμούς με τη διαμόρφωση της ισχύος της αντλίας.Τα ημιαγωγικά λέιζερ με διακόπτη κέρδους μπορούν να παράγουν παλμούς που κυμαίνονται από λίγα νανοδευτερόλεπτα έως εκατό μικροδευτερόλεπτα μέσω διαμόρφωσης ρεύματοςΠαρόλο που η ενέργεια των παλμών είναι χαμηλή, η μέθοδος αυτή είναι πολύ ευέλικτη, παρέχοντας ρυθμιζόμενο ρυθμό επανάληψης και πλάτος παλμού.

Οι ισχυροί παλμοί των νανοδευτερολέπτων γενικά παράγονται από λέιζερ με διακόπτη Q. Το λέιζερ εκπέμπεται μέσα σε αρκετές επιστροφές στην κοιλότητα,και η ενέργεια του παλμού κυμαίνεται από λίγα χιλιοστά ζαούλ σε αρκετά ζαούλ, η οποία σχετίζεται ειδικά με το μέγεθος του συστήματος.

Τα παλμούς μικροδευτερολέπτων και φεμτοδευτερολέπτων μεσαίας ενέργειας (συνήθως κάτω από 1 μJ) παράγονται κυρίως από λέιζερ κλειδωμένων στη λειτουργία.Υπάρχουν ένας ή περισσότεροι υπερακριτοί παλμοί σε συνεχείς κύκλους μέσα στην κοιλότητα συντονισμού λέιζερΚάθε φορά που ο παλμός της κοιλότητας περνά από τον καθρέφτη ζεύξης εξόδου, εκπέμπει έναν παλμό, και η συχνότητα επανάληψης είναι γενικά μεταξύ 10 MHz και 100 GHz.Η ακόλουθη εικόνα δείχνει μια συσκευή λέιζερ ινών φεμιτόσεκοντ με πλήρη κανονική διασπορά (ANDi)Η συντριπτική πλειοψηφία του μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας τα τυποποιημένα εξαρτήματα της Thorlabs (φυτικές ίνες, φακούς, κάθισμα τοποθέτησης και στάδιο μετατόπισης).

Η τεχνολογία εξαερισμού κοιλότητας μπορεί να εφαρμοστεί όχι μόνο σε λέιζερ με Q-switching για να αποκτήσουν μικρότερους παλμούς, αλλά και σε λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία για να αυξήσουν την ενέργεια του παλμού σε χαμηλότερο ρυθμό επανάληψης.

Παλμοί σε χρονικό πεδίο και συχνότητα
Το γραμμικό σχήμα ενός παλμού που ποικίλλει με το χρόνο είναι γενικά απλό και μπορεί να εκπροσωπηθεί από τις συνθήκες του Γκάους και των λειτουργιών sech2.Ο χρόνος παλμού (γνωστός και ως πλάτος παλμού) εκφράζεται συνήθως με την τιμή του μισού πλάτους πλάτους (FWHM), το οποίο είναι το πλάτος στο οποίο η οπτική ισχύς είναι τουλάχιστον το ήμισυ της μέγιστης ισχύος.και υπερακριβείς παλμούς (USP) που κυμαίνονται από δεκάδες πικοδευτερόλεπτα έως φεμτοδευτερόλεπτα παράγονται από λέιζερ κλειδωμένου τρόπουΗ ηλεκτρονική υψηλής ταχύτητας μπορεί να μετρήσει μόνο παλμούς δεκάδων picoseconds ταχύτερα. Οι μικρότεροι παλμοί μπορούν να μετρηθούν μόνο με καθαρές οπτικές τεχνικές, όπως αυτοσυνδεδεμένοι, FROG και SPIDER.

Εάν το σχήμα του παλμού είναι γνωστό, η σχέση μεταξύ της ενέργειας του παλμού (Ep), της μέγιστης ισχύος (Pp) και του πλάτους του παλμού (tp) υπολογίζεται σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο:

Μεταξύ αυτών, το fs είναι ένας συντελεστής που σχετίζεται με το σχήμα του παλμού, περίπου 0,94 για τους παλμούς Gaussian και περίπου 0,88 για τους παλμούς sech2, αλλά γενικά υπολογίζεται περίπου ως 1.

Το εύρος ζώνης ενός παλμού μπορεί να εκφραστεί με συχνότητα, μήκος κύματος ή γωνιακή συχνότητα.όπου λ και ν είναι το κεντρικό μήκος κύματος και η συχνότητα αντίστοιχαΔλ και Δν είναι τα εύρη ζώνης που εκφράζονται σε μήκος κύματος και συχνότητα αντίστοιχα.

Περιορισμός παλμού εύρους ζώνης
Για ένα συγκεκριμένο σχήμα παλμού, το φασματικό πλάτος του παλμού είναι το μικρότερο όταν δεν υπάρχει τσιριπή.Το γινόμενο του χρόνου παλμού του και του εύρους ζώνης συχνότητας είναι μια σταθερήΤα προϊόντα χρόνου-περιορισμένου εύρους ζώνης των παλμών Gaussian και sech2 είναι περίπου 0,441 και 0.315Με βάση αυτό, μπορεί επίσης να υπολογιστεί η ποσότητα τσιμπ του πραγματικού παλμού και η σωρευτική διάσπαση καθυστέρησης ομάδας.

Για παράδειγμα, το εύρος ζώνης ενός παλμού 10 fs πρέπει να είναι τουλάχιστον της τάξης των 30 THz,Ενώ το εύρος ζώνης ενός παλμού ατόσεκοντ είναι ακόμη μεγαλύτερο, και η συχνότητα του κέντρου πρέπει να είναι πολύ υψηλότερη από οποιαδήποτε συχνότητα ορατού φωτός.

Παράγοντες που επηρεάζουν το πλάτος του παλμού

Αν και το πλάτος παλμού των παλμών νανοδευτερολέπτου ή μεγαλύτερου μήκους δεν αλλάζει σχεδόν καθόλου κατά τη διάρκεια της εξάπλωσης, ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις, οι υπερακριτοί παλμοί μπορεί να επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες:

Η διασπορά μπορεί να προκαλέσει σημαντική διεύρυνση του παλμού, αλλά μπορεί να συμπιεστεί εκ νέου με την αντίθετη διασπορά.Το παρακάτω σχήμα δείχνει το διάγραμμα της αρχής λειτουργίας του συμπιεστή παλμών femtosecond του Thorlabs που αντισταθμίζει τη διάσπαση του μικροσκοπίου.

Η μη γραμμικότητα γενικά δεν επηρεάζει άμεσα το πλάτος του παλμού, αλλά θα προκαλέσει τη διεύρυνση του εύρους ζώνης, καθιστώντας τον παλμό πιο ευάλωτο στην διασπορά κατά τη διάρκεια της διάδοσης.

Οποιοσδήποτε τύπος οπτικής ινής (συμπεριλαμβανομένων άλλων μέσων με περιορισμένο εύρος ζώνης) μπορεί να επηρεάσει το εύρος ζώνης ή το σχήμα του υπερακριτού παλμού, και μια μείωση του εύρους ζώνης μπορεί να οδηγήσει σε διευρύνση του χρόνου.Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις όπου το πλάτος παλμού των έντονα σφυροκοπημένων παλμών συντομεύει καθώς το φάσμα στενώνει..