Il modo più diretto per generare impulsi laser è quello di aggiungere un modulatore al di fuori del laser continuo.si spreca energia luminosa e la potenza massima non può superare la potenza luminosa continuaPertanto, un modo più efficiente per generare impulsi laser è quello di modulare la cavità del laser, immagazzinando energia nel tempo di spegnimento del treno di impulsi e rilasciandola nel tempo.Il confronto tra i due metodi è il seguente::
Le quattro tecniche comunemente utilizzate per la generazione di impulsi attraverso la modulazione della cavità laser sono la commutazione di guadagno, la commutazione Q (commutazione di perdita), lo svuotamento della cavità e il blocco della modalità.
L'interruttore di guadagno genera impulsi brevi modulando la potenza della pompa.I laser con commutazione di guadagno dei semiconduttori possono generare impulsi che vanno da pochi nanosecondi a cento picosecondi attraverso la modulazione della correnteSebbene l'energia dell'impulso sia bassa, questo metodo è molto flessibile, in quanto fornisce una frequenza di ripetizione e una larghezza dell'impulso regolabili.
Gli impulsi di nanosecondi sono generalmente generati da laser Q-switched.e l' energia dell' impulso varia da qualche milijoule a diversi joule, che è specificamente correlata alle dimensioni del sistema.
Impulsi di picosecondi e femtosecondi di media energia (generalmente inferiori a 1 μJ) sono generati principalmente da laser bloccati in modalità.Esistono uno o più impulsi ultrashort in cicli continui nella cavità di risonanza laserOgni volta che l'impulso di cavità passa attraverso lo specchio di accoppiamento di uscita, emette un impulso e la frequenza di ripetizione è generalmente compresa tra 10 MHz e 100 GHz.La figura seguente mostra un dispositivo laser a fibra soliton femtoseconda a dispersione completamente normale (ANDi)La stragrande maggioranza può essere costruita utilizzando componenti standard di Thorlabs (fibra, lente, sedile di montaggio e stadio di spostamento).
La tecnologia di ventilazione a cavità può essere applicata non solo ai laser Q-switched per ottenere impulsi più brevi, ma anche ai laser a modalità bloccata per aumentare l'energia dell'impulso ad un tasso di ripetizione inferiore.
Impulsi di dominio temporale e di dominio di frequenza
La forma lineare di un impulso che varia con il tempo è generalmente semplice e può essere rappresentata dalle funzioni di Gauss e sech2.Il tempo dell'impulso (noto anche come larghezza dell'impulso) è più comunemente espresso dal valore di larghezza di metà altezza (FWHM), che è la larghezza attraverso la quale la potenza ottica è almeno la metà della potenza di picco.e impulsi ultra-corti (USP) che vanno da decine di picosecondi a femtosecondi sono prodotti da laser bloccati in modalitàL'elettronica ad alta velocità è in grado di misurare solo impulsi di decine di picosecondi al più veloce.
Se la forma dell'impulso è nota, la relazione tra energia dell'impulso (Ep), potenza di picco (Pp) e larghezza dell'impulso (tp) è calcolata secondo la seguente formula:
Tra questi, fs è un coefficiente relativo alla forma dell'impulso, circa 0,94 per gli impulsi gaussiani e circa 0,88 per gli impulsi sech2, ma in generale è calcolato approssimativamente come 1.
La larghezza di banda di un impulso può essere espressa in frequenza, lunghezza d'onda o frequenza angolare.dove λ e ν sono rispettivamente lunghezza d'onda centrale e frequenza, e Δλ e Δν sono le larghezze di banda espresse in termini di lunghezza d'onda e di frequenza rispettivamente.
Impulso limite di larghezza di banda
Per una forma specifica dell'impulso, la larghezza spettrale dell'impulso è la più piccola quando non c'è un chirp.Il prodotto del suo tempo di impulso e della larghezza di banda di frequenza è una costante, e questa costante è chiamata il prodotto di larghezza di banda di tempo (TBP).315Sulla base di questo, si può calcolare anche la quantità di chirp dell'impulso effettivo e la dispersione cumulativa del ritardo di gruppo.
Per esempio, la larghezza di banda di un impulso di 10 fs deve essere almeno dell'ordine di 30 THz,mentre la larghezza di banda di un impulso attosecondo è ancora maggiore, e la sua frequenza centrale deve essere molto più alta di qualsiasi frequenza della luce visibile.
Fattori che influenzano la larghezza dell'impulso
Sebbene la larghezza dell'impulso di un nanosecondo o più lunghi impulsi difficilmente cambi durante la propagazione, anche su lunghe distanze, gli impulsi ultrashort possono essere influenzati da vari fattori:
La dispersione può causare un significativo ampliamento dell'impulso, ma può essere ricompressa con la dispersione opposta.La figura seguente mostra il diagramma del principio di funzionamento del compressore a impulsi femtosegondi Thorlabs che compensa la dispersione al microscopio.
La non linearità generalmente non influisce direttamente sulla larghezza dell'impulso, ma farà sì che la larghezza di banda si allarghi, rendendo l'impulso più suscettibile alla dispersione durante la propagazione.
Qualsiasi tipo di fibra ottica (compresi altri supporti di guadagno con larghezza di banda limitata) può influenzare la larghezza di banda o la forma dell'impulso ultrashort, e una riduzione della larghezza di banda può portare ad un allargamento del tempo.Ci sono anche casi in cui la larghezza dell'impulso di impulsi fortemente cinguettati si accorcia mentre lo spettro si restringe.