Самый прямой способ генерации лазерных импульсов - добавить модулятор вне непрерывного лазера. Этот метод может генерировать импульсы на самом быстром пикосекундном уровне. Хотя он прост, он тратит световую энергию, и пиковая мощность не может превышать мощность непрерывного света. Поэтому более эффективный способ генерации лазерных импульсов - модулировать резонатор лазера, накапливая энергию во время выключения импульсной последовательности и высвобождая ее во время включения. Сравнение двух методов выглядит следующим образом:
Четыре часто используемые техники для генерации импульсов посредством модуляции лазерного резонатора: переключение усиления, Q-переключение (переключение потерь), опустошение резонатора и синхронизация мод.
Переключение усиления генерирует короткие импульсы путем модуляции мощности накачки. Например, полупроводниковые лазеры с переключением усиления могут генерировать импульсы от нескольких наносекунд до сотни пикосекунд посредством модуляции тока. Хотя энергия импульса низкая, этот метод очень гибкий, например, обеспечивает регулируемую частоту повторения и ширину импульса.
Сильные наносекундные импульсы обычно генерируются Q-переключаемыми лазерами. Лазер излучает в течение нескольких проходов в резонаторе, а энергия импульса варьируется от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей, что конкретно связано с размером системы.
Импульсы средней энергии (обычно ниже 1 мкДж) пикосекундной и фемтосекундной длительности в основном генерируются лазерами с синхронизацией мод. В непрерывных циклах внутри резонансного резонатора лазера присутствует один или несколько ультракоротких импульсов. Каждый раз, когда импульс резонатора проходит через выходное зеркало, он излучает один импульс, а частота повторения обычно составляет от 10 МГц до 100 ГГц. На следующей схеме показано устройство фемтосекундного волоконного лазера с диссипативным солитоном с полностью нормальной дисперсией (ANDi). Подавляющее большинство его можно построить с использованием стандартных компонентов Thorlabs (волокно, линза, монтажное сиденье и этап смещения).
Технология вентиляции резонатора может применяться не только к Q-переключаемым лазерам для получения более коротких импульсов, но и к лазерам с синхронизацией мод для увеличения энергии импульса при более низкой частоте повторения.
Импульсы во временной и частотной областях
Линейная форма импульса, изменяющаяся во времени, обычно проста и может быть представлена функциями Гаусса и sech². Время импульса (также известное как ширина импульса) чаще всего выражается значением ширины на половине высоты (FWHM), которая представляет собой ширину, при которой оптическая мощность составляет не менее половины пиковой мощности. Короткие импульсы наносекундного уровня генерируются Q-переключаемыми лазерами, а ультракороткие импульсы (USP) от десятков пикосекунд до фемтосекунд производятся лазерами с синхронизацией мод. Высокоскоростная электроника может измерять импульсы длительностью всего в десятки пикосекунд. Более короткие импульсы можно измерить только с помощью чисто оптических методов, таких как автокорреляторы, FROG и SPIDER.
Если форма импульса известна, взаимосвязь между энергией импульса (Ep), пиковой мощностью (Pp) и шириной импульса (tp) рассчитывается по следующей формуле:
Среди них fs - коэффициент, связанный с формой импульса, примерно 0,94 для гауссовых импульсов и около 0,88 для sech² импульсов, но в целом он приблизительно рассчитывается как 1.
Полоса пропускания импульса может быть выражена частотой, длиной волны или угловой частотой. Если полоса пропускания мала, полосы пропускания по длине волны и частоте преобразуются по следующей формуле, где λ и ν - центральная длина волны и частота соответственно, а Δλ и Δν - полосы пропускания, выраженные в терминах длины волны и частоты соответственно.
Импульс с ограничением по полосе пропускания
Для конкретной формы импульса спектральная ширина импульса минимальна, когда нет чирпа. В это время мы называем его импульсом с ограничением по полосе пропускания или пределом преобразования Фурье. Произведение его времени импульса и полосы пропускания по частоте является константой, и эта константа называется произведением времени и полосы пропускания (TBP). Произведения времени и полосы пропускания для гауссовых и sech² импульсов с ограничением по полосе пропускания составляют примерно 0,441 и 0,315 соответственно. Основываясь на этом, также можно рассчитать величину чирпа фактического импульса и накопленную групповую задержку дисперсии.
Поэтому, чем уже ширина импульса, тем шире требуется спектр Фурье. Например, полоса пропускания импульса длительностью 10 фс должна быть не менее 30 ТГц, в то время как полоса пропускания аттосекундного импульса еще больше, а его центральная частота должна быть намного выше любой частоты видимого света.
Факторы, влияющие на ширину импульса
Хотя ширина импульса наносекундных или более длинных импульсов практически не меняется во время распространения, даже на больших расстояниях, на ультракороткие импульсы могут влиять различные факторы:
Дисперсия может вызывать значительное уширение импульса, но его можно повторно сжать с противоположной дисперсией. На следующей схеме показан принцип работы компрессора фемтосекундных импульсов Thorlabs, компенсирующего дисперсию микроскопа.
Нелинейность обычно не влияет напрямую на ширину импульса, но она приведет к расширению полосы пропускания, делая импульс более восприимчивым к дисперсии во время распространения.
Любой тип оптического волокна (включая другие усиливающие среды с ограниченной полосой пропускания) может влиять на полосу пропускания или форму ультракороткого импульса, а уменьшение полосы пропускания может привести к расширению во времени. Также бывают случаи, когда ширина импульса сильно чирпированных импульсов уменьшается по мере сужения спектра.