펄스 레이저란 무엇입니까?

레이저 펄스를 생성하는 가장 직접적인 방법은 연속 레이저 외부에 변조기를 추가하는 것입니다. 이 방법은 가장 빠른 피코초 수준 펄스를 생성 할 수 있습니다. 간단하지만,그것은 빛 에너지를 낭비하고 최고 전력은 연속 빛 전력을 초과할 수 없습니다따라서 레이저 펄스를 생성하는 더 효율적인 방법은 레이저 구멍을 조절하여 펄스 트레인의 꺼 시간 내에 에너지를 저장하고 시간 내에 방출하는 것입니다.두 방법의 비교는 다음과 같습니다.:

레이저 구멍 변조를 통해 펄스를 생성하기 위해 일반적으로 사용되는 네 가지 기술은 이득 스위칭, Q 스위칭 (손실 스위칭), 구멍 비공 및 모드 잠금입니다.

가이드 스위치는 펌프 전력을 조절함으로써 짧은 펄스를 생성합니다.반도체 가이드 스위치 레이저는 전류 변조를 통해 몇 나노초에서 100 피코초까지의 펄스를 생성할 수 있습니다.펄스 에너지가 낮지만,이 방법은 조절 가능한 반복 속도와 펄스 너비와 같은 매우 유연합니다.

강한 나노초 펄스는 일반적으로 Q 스위치 레이저에 의해 생성됩니다. 레이저는 구멍에서 몇 번의 왕복 여행을 통해 방출됩니다.그리고 펄스 에너지는 몇 밀리주울에서 몇 줄울까지, 이는 특히 시스템의 크기와 관련이 있습니다.

중간 에너지 (일반적으로 1μJ 이하) 피코 초초 및 페모 초초의 펄스는 주로 모드 잠금 레이저로 생성됩니다.레이저 공명 구멍 내에서 연속적인 주기로 하나 이상의 초단 펄스가 있습니다구멍 펄스가 출력 결합 거울을 통과 할 때마다, 그것은 한 펄스를 방출하며 반복 주파수는 일반적으로 10 MHz에서 100 GHz 사이입니다.다음 그림은 완전히 정상 분산 (ANDi) 소실성 femtosecond 섬유 레이저 장치를 보여줍니다그 중 대다수는 토랩의 표준 부품 (섬유, 렌즈, 장착 좌석 및 이동 단계) 을 사용하여 만들어질 수 있습니다.

허리 환기 기술은 Q 스위치 레이저뿐만 아니라 모드 잠금 레이저에 적용하여 더 낮은 반복 속도로 펄스 에너지를 증가시킬 수 있습니다.

시간 영역과 주파수 영역의 펄스
시간에 따라 변하는 펄스의 선형 형태는 일반적으로 간단하며 가우스 함수와 sech2 함수로 나타낼 수 있습니다.펄스 시간 (또한 펄스 너비로 알려져) 는 일반적으로 반 높이 너비 (FWHM) 값으로 표현됩니다., 광전력이 최고전력의 적어도 절반을 차지하는 너비입니다. 나노초 수준의 짧은 펄스는 Q 스위치 레이저에 의해 생성됩니다.10 피코초에서 페모초까지의 초단파동 (USP) 은 모드 잠금 레이저로 생성됩니다.초고속 전자제품은 최대 10 피코초의 펄스를 측정할 수 있습니다. 더 짧은 펄스는 오토코레레이터, FROG 및 SPIDER와 같은 순수 광학적 기술로만 측정 할 수 있습니다.

펄스 모양이 알려져 있다면, 펄스 에너지 (Ep), 최고 전력 (Pp), 펄스 너비 (tp) 사이의 관계는 다음 공식에 따라 계산됩니다.

그 중 fs는 펄스 모양과 관련된 계수이며, 가우스 펄스에 대해 약 0.94이며, sech2 펄스에 대해 약 0.88이지만 일반적으로 대략 1로 계산됩니다.

펄스의 대역폭은 주파수, 파장 또는 각 주파수로 표현될 수 있다. 대역폭이 작으면, 파장과 주파수 대역폭은 다음 공식을 사용하여 변환된다.여기서 λ와 ν는 각각 중심 파장과 주파수, 그리고 Δλ와 Δν은 각각 파장과 주파수로 표현된 대역폭입니다.

대역폭 제한 펄스
특정 펄스 모양의 경우, 펄스의 스펙트럼 너비는 진동이 없을 때 가장 작습니다. 이 시점에서 우리는 대역폭 제한 또는 푸리에 변환 제한 펄스라고합니다.펄스 시간과 주파수 대역폭의 곱셈은, 이 상수는 시간 대역폭 곱 (TBP) 이라고 불립니다. 대역폭 제한 가우스 및 sech2 펄스의 시간 대역폭 곱은 대략 0.441과 0입니다.315이를 바탕으로 실제 펄스의 진동량과 누적 그룹 지연분산도 계산할 수 있다.

따라서 펄스 폭이 좁을수록 필요한 푸리에 스펙트럼이 넓어집니다. 예를 들어, 10 fs 펄스의 대역폭은 적어도 30 THz 정도여야 합니다.하지만 아토세컨드 펄스의 대역폭은 더 커집니다., 그리고 그 중심의 주파수는 가시광선 주파수보다 훨씬 높아야 합니다.

펄스 폭에 영향을 미치는 요인

나노초 또는 더 긴 펄스의 펄스 너비는 전파 중에 거의 변하지는 않지만, 긴 거리에 걸쳐서도 초단 펄스는 다양한 요인에 의해 영향을받을 수 있습니다.

분산은 중요한 펄스 확장을 일으킬 수 있지만 반대 분산으로 다시 압축 될 수 있습니다.다음 그림은 현미경 분산을 보상하는 Thorlabs femtosecond 펄스 압축기의 작동 원칙 도표를 보여줍니다.

비선형성은 일반적으로 펄스 너비에 직접적인 영향을 미치지 않지만, 펄스를 전파 중에 분산에 더 민감하게 만드는 대역폭이 넓어질 수 있습니다.

모든 종류의 광섬유 (한정된 대역폭을 가진 다른 증강 매체 포함) 는 대역폭 또는 초단파의 모양에 영향을 줄 수 있으며 대역폭의 감소는 시간이 넓어질 수 있습니다.또한 파동의 폭이 좁아질 때 파동의 폭이 짧아지는 경우도 있습니다.