レーザーパルスを生成する最も直接的な方法は、連続レーザーの外側に変調器を追加することです。この方法では、最速のピコ秒レベルのパルスを生成できます。シンプルですが、光エネルギーを無駄にし、ピークパワーは連続光のパワーを超えることはできません。したがって、レーザーパルスを生成するより効率的な方法は、レーザーキャビティを変調し、パルス列のオフ時間にエネルギーを蓄積し、オン時間に放出することです。2つの方法の比較は次のとおりです。
レーザーキャビティ変調によってパルスを生成するために一般的に使用される4つの技術は、ゲインスイッチング、Qスイッチング（損失スイッチング）、キャビティ空化、およびモードロックです。
ゲインスイッチは、ポンプパワーを変調することによって短いパルスを生成します。たとえば、半導体ゲインスイッチレーザーは、電流変調を通じて数ナノ秒から数百ピコ秒の範囲のパルスを生成できます。パルスエネルギーは低いですが、この方法は非常に柔軟で、調整可能な繰り返し率やパルス幅を提供できます。
強力なナノ秒パルスは、一般的にQスイッチレーザーによって生成されます。レーザーはキャビティ内で数回の往復で放出され、パルスエネルギーは数ミリジュールから数ジュールまで変化し、これはシステムのサイズに特に関連しています。
中エネルギー（一般的に1μJ未満）のピコ秒およびフェムト秒パルスは、主にモードロックレーザーによって生成されます。レーザー共振キャビティ内には、連続的なサイクルで1つ以上の超短パルスがあります。キャビティパルスが出力結合ミラーを通過するたびに、1つのパルスを放出し、繰り返し周波数は一般的に10 MHzから100 GHzの間です。次の図は、完全に正常分散（ANDi）散逸ソリトンフェムト秒ファイバーレーザーデバイスを示しています。その大部分は、Thorlabsの標準コンポーネント（ファイバー、レンズ、取り付けシート、変位ステージ）を使用して構築できます。
キャビティベント技術は、Qスイッチレーザーに適用してより短いパルスを得るだけでなく、モードロックレーザーに適用して、より低い繰り返し率でパルスエネルギーを増加させることもできます。
時間領域と周波数領域のパルス
時間とともに変化するパルスの線形形状は一般的に単純であり、ガウス関数とsech²関数で表すことができます。パルス時間（パルス幅とも呼ばれます）は、最も一般的に半分の高さ幅（FWHM）値で表され、これは光パワーがピークパワーの少なくとも半分である幅です。ナノ秒レベルの短いパルスはQスイッチレーザーによって生成され、数十ピコ秒からフェムト秒までの超短パルス（USP）はモードロックレーザーによって生成されます。高速電子機器は、最速で数十ピコ秒のパルスしか測定できません。より短いパルスは、自己相関器、FROG、SPIDERなどの純粋な光学技術によってのみ測定できます。
パルス形状がわかっている場合、パルスエネルギー（Ep）、ピークパワー（Pp）、およびパルス幅（tp）の関係は、次の式に従って計算されます。
その中で、fsはパルス形状に関連する係数であり、ガウスパルスでは約0.94、sech²パルスでは約0.88ですが、一般的には約1として計算されます。
パルスの帯域幅は、周波数、波長、または角周波数で表すことができます。帯域幅が小さい場合、波長と周波数の帯域幅は次の式を使用して変換され、ここでλとνはそれぞれ中心波長と周波数であり、ΔλとΔνはそれぞれ波長と周波数で表される帯域幅です。
帯域幅制限パルス
特定のパルス形状の場合、パルスのスペクトル幅は、チャープがない場合に最小になります。このとき、これを帯域幅制限またはフーリエ変換制限パルスと呼びます。そのパルス時間と周波数帯域幅の積は定数であり、この定数は時間帯域幅積（TBP）と呼ばれます。帯域幅制限されたガウスパルスとsech²パルスの時間帯域幅積は、それぞれ約0.441と0.315です。これに基づいて、実際のパルスのチャープ量と累積群遅延分散も計算できます。
したがって、パルス幅が狭いほど、必要なフーリエスペクトルが広くなります。たとえば、10 fsパルスの帯域幅は少なくとも30 THzのオーダーである必要があり、アト秒パルスの帯域幅はさらに大きく、その中心周波数は可視光の周波数よりもはるかに高くなければなりません。
パルス幅に影響を与える要因
ナノ秒以上のパルスのパルス幅は、伝搬中にほとんど変化しませんが、超短パルスはさまざまな要因の影響を受ける可能性があります。
分散は、大幅なパルス幅の広がりを引き起こす可能性がありますが、反対の分散で再圧縮できます。次の図は、顕微鏡分散を補償するThorlabsフェムト秒パルスコンプレッサーの動作原理図を示しています。
非線形性は、一般的にパルス幅に直接影響を与えることはありませんが、帯域幅を広げ、伝搬中にパルスが分散の影響を受けやすくなります。
あらゆるタイプの光ファイバー（限定された帯域幅を持つ他のゲイン媒体を含む）は、超短パルスの帯域幅または形状に影響を与える可能性があり、帯域幅の減少は時間の広がりにつながる可能性があります。スペクトルが狭くなるにつれて、強くチャープされたパルスのパルス幅が短くなる場合もあります。