लेज़र स्पंदों को उत्पन्न करने का सबसे सीधा तरीका निरंतर लेज़र के बाहर एक मॉड्यूलेटर जोड़ना है। यह विधि सबसे तेज़ पिकोसेकंड-स्तर के स्पंद उत्पन्न कर सकती है। हालाँकि यह सरल है, लेकिन यह प्रकाश ऊर्जा को बर्बाद करता है और शिखर शक्ति निरंतर प्रकाश शक्ति से अधिक नहीं हो सकती है। इसलिए, लेज़र स्पंदों को उत्पन्न करने का एक अधिक कुशल तरीका लेज़र गुहा को मॉड्युलेट करना है, स्पंद ट्रेन के बंद समय में ऊर्जा संग्रहीत करना और इसे चालू समय में छोड़ना। दो विधियों की तुलना इस प्रकार है:
लेज़र गुहा मॉडुलन के माध्यम से स्पंद उत्पन्न करने के लिए आमतौर पर उपयोग की जाने वाली चार तकनीकें हैं: लाभ स्विचिंग, क्यू-स्विचिंग (हानि स्विचिंग), गुहा खाली करना और मोड-लॉकिंग।
लाभ स्विच पंप शक्ति को मॉड्युलेट करके छोटे स्पंद उत्पन्न करता है। उदाहरण के लिए, अर्धचालक लाभ-स्विच लेज़र करंट मॉडुलन के माध्यम से कुछ नैनोसेकंड से लेकर सौ पिकोसेकंड तक के स्पंद उत्पन्न कर सकते हैं। हालाँकि स्पंद ऊर्जा कम होती है, लेकिन यह विधि बहुत लचीली है, जैसे कि समायोज्य पुनरावृत्ति दर और स्पंद चौड़ाई प्रदान करना।
मजबूत नैनोसेकंड स्पंद आमतौर पर क्यू-स्विच लेज़र द्वारा उत्पन्न होते हैं। लेज़र गुहा में कई दौरों के भीतर उत्सर्जित होता है, और स्पंद ऊर्जा कुछ मिलीजूल से लेकर कई जूल तक होती है, जो विशेष रूप से सिस्टम के आकार से संबंधित है।
मध्यम-ऊर्जा (आमतौर पर 1 μJ से कम) पिकोसेकंड और फेमटोसेकंड स्पंद मुख्य रूप से मोड-लॉक लेज़र द्वारा उत्पन्न होते हैं। लेज़र अनुनाद गुहा के भीतर निरंतर चक्रों में एक या अधिक अल्ट्राशॉर्ट स्पंद होते हैं। हर बार जब गुहा स्पंद आउटपुट युग्मन दर्पण से गुजरता है, तो यह एक स्पंद उत्सर्जित करता है, और पुनरावृत्ति आवृत्ति आमतौर पर 10 मेगाहर्ट्ज और 100 गीगाहर्ट्ज के बीच होती है। निम्नलिखित आकृति एक पूरी तरह से सामान्य फैलाव (एंडि) विघटनकारी सोलिटॉन फेमटोसेकंड फाइबर लेज़र डिवाइस दिखाती है। इसका विशाल बहुमत थोरलैब्स मानक घटकों (फाइबर, लेंस, माउंटिंग सीट और विस्थापन चरण) का उपयोग करके बनाया जा सकता है।
गुहा वेंटिंग तकनीक का उपयोग न केवल क्यू-स्विच लेज़र पर छोटे स्पंद प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, बल्कि मोड-लॉक लेज़र पर कम पुनरावृत्ति दर पर स्पंद ऊर्जा बढ़ाने के लिए भी किया जा सकता है।
समय-डोमेन और आवृत्ति-डोमेन स्पंद
समय के साथ बदलने वाले स्पंद का रैखिक आकार आमतौर पर सरल होता है और इसे गॉसियन और सेच² कार्यों द्वारा दर्शाया जा सकता है। स्पंद समय (जिसे स्पंद चौड़ाई के रूप में भी जाना जाता है) सबसे अधिक बार आधा-ऊंचाई चौड़ाई (FWHM) मान द्वारा व्यक्त किया जाता है, जो वह चौड़ाई है जिसके पार ऑप्टिकल शक्ति शिखर शक्ति का कम से कम आधा है। नैनोसेकंड-स्तर के छोटे स्पंद क्यू-स्विच लेज़र द्वारा उत्पन्न होते हैं, और अल्ट्रा-शॉर्ट स्पंद (यूएसपी) दस पिकोसेकंड से लेकर फेमटोसेकंड तक मोड-लॉक लेज़र द्वारा उत्पादित होते हैं। हाई-स्पीड इलेक्ट्रॉनिक्स केवल सबसे तेज़ गति से दस पिकोसेकंड के स्पंदों को माप सकते हैं। छोटे स्पंदों को केवल शुद्ध ऑप्टिकल तकनीकों, जैसे ऑटोकोरिलेटर, फ्रॉग और स्पाइडर द्वारा मापा जा सकता है।
यदि स्पंद आकार ज्ञात है, तो स्पंद ऊर्जा (Ep), शिखर शक्ति (Pp), और स्पंद चौड़ाई (tp) के बीच का संबंध निम्नलिखित सूत्र के अनुसार गणना की जाती है:
उनमें से, fs स्पंद आकार से संबंधित एक गुणांक है, गॉसियन स्पंदों के लिए लगभग 0.94 और सेच² स्पंदों के लिए लगभग 0.88, लेकिन सामान्य तौर पर, इसकी गणना लगभग 1 के रूप में की जाती है।
एक स्पंद की बैंडविड्थ को आवृत्ति, तरंग दैर्ध्य या कोणीय आवृत्ति द्वारा व्यक्त किया जा सकता है। यदि बैंडविड्थ छोटा है, तो तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति बैंडविड्थ को निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके परिवर्तित किया जाता है, जहाँ λ और ν क्रमशः केंद्रीय तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति हैं, और Δλ और Δν क्रमशः तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति के संदर्भ में व्यक्त बैंडविड्थ हैं।
बैंडविड्थ सीमा स्पंद
एक विशिष्ट स्पंद आकार के लिए, स्पंद की वर्णक्रमीय चौड़ाई सबसे छोटी होती है जब कोई चिरप नहीं होता है। इस समय, हम इसे बैंडविड्थ-सीमित या फूरियर ट्रांसफॉर्म लिमिट स्पंद कहते हैं। इसकी स्पंद समय और आवृत्ति बैंडविड्थ का गुणनफल एक स्थिरांक है, और इस स्थिरांक को समय-बैंडविड्थ उत्पाद (TBP) कहा जाता है। बैंडविड्थ-सीमित गॉसियन और सेच² स्पंदों के समय-बैंडविड्थ उत्पाद क्रमशः लगभग 0.441 और 0.315 हैं। इसके आधार पर, वास्तविक स्पंद की चिरप मात्रा और संचयी समूह विलंब फैलाव की भी गणना की जा सकती है।
इसलिए, स्पंद चौड़ाई जितनी संकीर्ण होगी, उतनी ही व्यापक फूरियर स्पेक्ट्रम की आवश्यकता होगी। उदाहरण के लिए, 10 fs स्पंद की बैंडविड्थ कम से कम 30 THz के क्रम की होनी चाहिए, जबकि एटोसेकंड स्पंद की बैंडविड्थ और भी अधिक है, और इसकी केंद्र आवृत्ति किसी भी दृश्य प्रकाश आवृत्ति से बहुत अधिक होनी चाहिए।
स्पंद चौड़ाई को प्रभावित करने वाले कारक
हालांकि नैनोसेकंड या लंबे स्पंदों की स्पंद चौड़ाई प्रसार के दौरान शायद ही बदलती है, यहां तक कि लंबी दूरी पर भी, अल्ट्राशॉर्ट स्पंद विभिन्न कारकों से प्रभावित हो सकते हैं:
फैलाव महत्वपूर्ण स्पंद चौड़ीकरण का कारण बन सकता है, लेकिन इसे विपरीत फैलाव के साथ फिर से संपीड़ित किया जा सकता है। निम्नलिखित आकृति माइक्रोस्कोप फैलाव की क्षतिपूर्ति करने वाले थोरलैब्स फेमटोसेकंड स्पंद कंप्रेसर का कार्य सिद्धांत आरेख दिखाती है।
गैर-रैखिकता आमतौर पर सीधे स्पंद चौड़ाई को प्रभावित नहीं करती है, लेकिन यह बैंडविड्थ को चौड़ा कर देगी, जिससे स्पंद प्रसार के दौरान फैलाव के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाएगा।
किसी भी प्रकार का ऑप्टिकल फाइबर (सीमित बैंडविड्थ वाले अन्य लाभ मीडिया सहित) अल्ट्राशॉर्ट स्पंद की बैंडविड्थ या आकार को प्रभावित कर सकता है, और बैंडविड्थ में कमी समय चौड़ीकरण का कारण बन सकती है। ऐसे मामले भी हैं जहां दृढ़ता से चिरप्ड स्पंदों की स्पंद चौड़ाई स्पेक्ट्रम संकीर्ण होने पर कम हो जाती है।