เลเซอร์กระแทกคืออะไร?

วิธีที่ตรงที่สุดในการสร้างพัลส์เลเซอร์คือการเพิ่มตัวปรับเปลี่ยนภายนอกเลเซอร์ต่อเนื่อง วิธีนี้สามารถสร้างพัลส์ระดับพิโกวินาทีที่เร็วที่สุด แม้ว่าจะง่าย แต่ก็สิ้นเปลืองพลังงานแสงและกำลังไฟสูงสุดไม่สามารถเกินกำลังไฟแสงต่อเนื่องได้ ดังนั้น วิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการสร้างพัลส์เลเซอร์คือการปรับเปลี่ยนโพรงเลเซอร์ โดยเก็บพลังงานในช่วงเวลาปิดของชุดพัลส์และปล่อยออกมาในช่วงเวลาเปิด การเปรียบเทียบสองวิธีมีดังนี้:

เทคนิคที่ใช้กันทั่วไปสี่แบบสำหรับการสร้างพัลส์ผ่านการปรับเปลี่ยนโพรงเลเซอร์คือ การสลับเกน, การสลับ Q (การสลับการสูญเสีย), การทำให้โพรงว่างเปล่า และการล็อคโหมด

สวิตช์เกนสร้างพัลส์สั้นๆ โดยการปรับกำลังปั๊ม ตัวอย่างเช่น เลเซอร์สวิตช์เกนเซมิคอนดักเตอร์สามารถสร้างพัลส์ได้ตั้งแต่ไม่กี่นาโนวินาทีถึงหนึ่งร้อยพิโกวินาทีผ่านการปรับกระแส แม้ว่าพลังงานพัลส์จะต่ำ แต่วิธีนี้มีความยืดหยุ่นมาก เช่น การให้ความถี่ซ้ำและช่วงความกว้างของพัลส์ที่ปรับได้

โดยทั่วไปแล้ว พัลส์นาโนวินาทีที่แข็งแกร่งจะถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ Q-switched เลเซอร์จะถูกปล่อยออกมาภายในหลายรอบในโพรง และพลังงานพัลส์มีตั้งแต่ไม่กี่มิลลิจูลถึงหลายจูล ซึ่งเกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับขนาดของระบบ

พัลส์พิโกวินาทีและเฟมโตวินาทีที่มีพลังงานปานกลาง (โดยทั่วไปต่ำกว่า 1 μJ) ส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ล็อคโหมด มีพัลส์อัลตราสั้นหนึ่งพัลส์ขึ้นไปในวงจรต่อเนื่องภายในโพรงเรโซแนนซ์เลเซอร์ แต่ละครั้งที่พัลส์โพรงผ่านกระจกเชื่อมต่อเอาต์พุต จะปล่อยพัลส์หนึ่งพัลส์ และความถี่ซ้ำโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 MHz ถึง 100 GHz รูปด้านล่างแสดงอุปกรณ์เลเซอร์ไฟเบอร์เฟมโตวินาทีโซลิตอนแบบกระจายตัว (ANDi) ส่วนใหญ่สามารถสร้างได้โดยใช้ส่วนประกอบมาตรฐานของ Thorlabs (ไฟเบอร์, เลนส์, ที่นั่งติดตั้ง และสเตจการกระจัด)

เทคโนโลยีการระบายโพรงสามารถนำไปใช้ได้ไม่เพียงแต่กับเลเซอร์ Q-switched เพื่อให้ได้พัลส์ที่สั้นลงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเลเซอร์ล็อคโหมดเพื่อเพิ่มพลังงานพัลส์ในอัตราการทำซ้ำที่ต่ำกว่า

พัลส์ในโดเมนเวลาและโดเมนความถี่
รูปร่างเชิงเส้นของพัลส์ที่แปรผันตามเวลาโดยทั่วไปจะเรียบง่ายและสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชัน Gaussian และ sech² ช่วงเวลาพัลส์ (หรือที่เรียกว่าความกว้างของพัลส์) มักจะแสดงออกโดยค่าความกว้างครึ่งความสูง (FWHM) ซึ่งเป็นความกว้างที่กำลังแสงอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของกำลังไฟสูงสุด พัลส์สั้นระดับนาโนวินาทีถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ Q-switched และพัลส์อัลตราสั้น (USP) ตั้งแต่สิบพิโกวินาทีถึงเฟมโตวินาทีถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ล็อคโหมด อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงสามารถวัดพัลส์ได้เพียงสิบพิโกวินาทีที่เร็วที่สุดเท่านั้น พัลส์ที่สั้นกว่าสามารถวัดได้ด้วยเทคนิคทางแสงบริสุทธิ์ เช่น ออโตคอร์เรเลเตอร์, FROG และ SPIDER

หากทราบรูปร่างของพัลส์ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานพัลส์ (Ep), กำลังไฟสูงสุด (Pp) และความกว้างของพัลส์ (tp) จะคำนวณตามสูตรต่อไปนี้:

ในบรรดา fs เป็นสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวข้องกับรูปร่างของพัลส์ ประมาณ 0.94 สำหรับพัลส์ Gaussian และประมาณ 0.88 สำหรับพัลส์ sech² แต่โดยทั่วไปแล้ว จะคำนวณเป็นประมาณ 1

แบนด์วิดท์ของพัลส์สามารถแสดงออกได้ด้วยความถี่ ความยาวคลื่น หรือความถี่เชิงมุม หากแบนด์วิดท์มีขนาดเล็ก แบนด์วิดท์ความยาวคลื่นและความถี่จะถูกแปลงโดยใช้สูตรต่อไปนี้ โดยที่ λ และ ν คือความยาวคลื่นและความถี่กลางตามลำดับ และ Δλ และ Δν คือแบนด์วิดท์ที่แสดงในแง่ของความยาวคลื่นและความถี่ตามลำดับ

พัลส์จำกัดแบนด์วิดท์
สำหรับรูปร่างพัลส์เฉพาะ ความกว้างของสเปกตรัมของพัลส์จะเล็กที่สุดเมื่อไม่มีการ chirp ในเวลานี้ เราเรียกมันว่าพัลส์จำกัดแบนด์วิดท์หรือฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มขีดจำกัด ผลคูณของช่วงเวลาพัลส์และแบนด์วิดท์ความถี่เป็นค่าคงที่ และค่าคงที่นี้เรียกว่าผลิตภัณฑ์เวลา-แบนด์วิดท์ (TBP) ผลิตภัณฑ์เวลา-แบนด์วิดท์ของพัลส์ Gaussian และ sech² ที่จำกัดแบนด์วิดท์คือประมาณ 0.441 และ 0.315 ตามลำดับ จากสิ่งนี้ ปริมาณ chirp ของพัลส์จริงและการกระจายกลุ่มหน่วงเวลาสะสมก็สามารถคำนวณได้เช่นกัน

ดังนั้น ยิ่งความกว้างของพัลส์แคบลงเท่าใด สเปกตรัมฟูริเยร์ที่ต้องการก็จะยิ่งกว้างขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น แบนด์วิดท์ของพัลส์ 10 fs จะต้องมีอย่างน้อยในลำดับ 30 THz ในขณะที่แบนด์วิดท์ของพัลส์ attosecond นั้นมากกว่า และความถี่กลางจะต้องสูงกว่าความถี่แสงที่มองเห็นได้

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความกว้างของพัลส์

แม้ว่าความกว้างของพัลส์ของพัลส์นาโนวินาทีหรือนานกว่านั้นแทบจะไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการแพร่กระจาย แม้ในระยะทางไกล พัลส์อัลตราสั้นอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ:

การกระจายอาจทำให้เกิดการขยายพัลส์อย่างมีนัยสำคัญ แต่สามารถบีบอัดใหม่ได้ด้วยการกระจายตรงข้าม รูปด้านล่างแสดงแผนภาพหลักการทำงานของ Thorlabs femtosecond pulse compressor ที่ชดเชยการกระจายของกล้องจุลทรรศน์

โดยทั่วไปแล้ว ความเป็นเชิงเส้นจะไม่มีผลกระทบโดยตรงต่อความกว้างของพัลส์ แต่จะทำให้แบนด์วิดท์กว้างขึ้น ทำให้พัลส์ไวต่อการกระจายมากขึ้นในระหว่างการแพร่กระจาย

ไฟเบอร์ออปติกทุกชนิด (รวมถึงตัวกลางการขยายอื่นๆ ที่มีแบนด์วิดท์จำกัด) อาจส่งผลต่อแบนด์วิดท์หรือรูปร่างของพัลส์อัลตราสั้น และการลดลงของแบนด์วิดท์อาจนำไปสู่การขยายเวลา นอกจากนี้ยังมีกรณีที่ความกว้างของพัลส์ของพัลส์ที่ chirped อย่างแรงจะสั้นลงเมื่อสเปกตรัมแคบลง