Nabızlı lazer nedir?

Lazer darbelerini üretmenin en doğrudan yolu, sürekli lazere bir modülatör eklemektir. Bu yöntem, en hızlı pikosaniye seviyesinde darbeler üretebilir. Basit olmasına rağmen, ışık enerjisini boşa harcar ve tepe gücü sürekli ışık gücünü aşamaz. Bu nedenle, lazer darbeleri üretmenin daha verimli bir yolu, lazer boşluğunu modüle etmek, darbe dizisinin kapalı zamanında enerji depolamak ve açık zamanında serbest bırakmaktır. İki yöntemin karşılaştırması aşağıdaki gibidir:

Lazer boşluğu modülasyonu yoluyla darbe üretmek için yaygın olarak kullanılan dört teknik, kazanç anahtarlama, Q-anahtarlama (kayıp anahtarlama), boşluk boşaltma ve mod kilitlemedir.

Kazanç anahtarı, pompalama gücünü modüle ederek kısa darbeler üretir. Örneğin, yarı iletken kazanç anahtarlı lazerler, akım modülasyonu yoluyla birkaç nanosaniyeden yüz pikosaniyeye kadar değişen darbeler üretebilir. Darbe enerjisi düşük olmasına rağmen, bu yöntem, ayarlanabilir tekrarlama hızı ve darbe genişliği sağlamak gibi çok esnektir.

Güçlü nanosaniye darbeleri genellikle Q-anahtarlı lazerler tarafından üretilir. Lazer, boşlukta birkaç tur içinde yayılır ve darbe enerjisi birkaç milijulden birkaç joule'e kadar değişir, bu da özellikle sistemin boyutuyla ilgilidir.

Orta enerjili (genellikle 1 μJ'nin altında) pikosaniye ve femtosaniye darbeleri esas olarak mod kilitli lazerler tarafından üretilir. Lazer rezonans boşluğunda sürekli döngülerde bir veya daha fazla ultra kısa darbe vardır. Boşluk darbesi çıkış kuplaj aynasından her geçtiğinde, bir darbe yayar ve tekrarlama frekansı genellikle 10 MHz ile 100 GHz arasındadır. Aşağıdaki şekil, tamamen normal dağılım (ANDi) dağıtıcı soliton femtosaniye fiber lazer cihazını göstermektedir. Bunun büyük çoğunluğu Thorlabs standart bileşenleri (fiber, lens, montaj koltuğu ve yer değiştirme aşaması) kullanılarak oluşturulabilir.

Boşluk havalandırma teknolojisi, daha kısa darbeler elde etmek için sadece Q-anahtarlı lazerlere değil, aynı zamanda daha düşük bir tekrarlama hızında darbe enerjisini artırmak için mod kilitli lazerlere de uygulanabilir.

Zaman etki alanı ve frekans etki alanı darbeleri
Zamanla değişen bir darbenin doğrusal şekli genellikle basittir ve Gaussian ve sech² fonksiyonları ile temsil edilebilir. Darbe zamanı (darbe genişliği olarak da bilinir) en yaygın olarak, optik gücün tepe gücünün en az yarısı olduğu genişlik olan yarım yükseklik genişliği (FWHM) değeri ile ifade edilir. Nanosaniye seviyesindeki kısa darbeler Q-anahtarlı lazerler tarafından üretilir ve onlarca pikosaniyeden femtosaniyelere kadar değişen ultra kısa darbeler (USP) mod kilitli lazerler tarafından üretilir. Yüksek hızlı elektronikler, en hızlı şekilde sadece onlarca pikosaniyelik darbeleri ölçebilir. Daha kısa darbeler sadece otokorelatörler, FROG ve SPIDER gibi saf optik tekniklerle ölçülebilir.

Darbe şekli biliniyorsa, darbe enerjisi (Ep), tepe gücü (Pp) ve darbe genişliği (tp) arasındaki ilişki aşağıdaki formüle göre hesaplanır:

Bunların arasında, fs, darbe şekliyle ilgili bir katsayıdır, Gaussian darbeler için yaklaşık 0,94 ve sech² darbeler için yaklaşık 0,88'dir, ancak genel olarak yaklaşık 1 olarak hesaplanır.

Bir darbenin bant genişliği frekans, dalga boyu veya açısal frekans ile ifade edilebilir. Bant genişliği küçükse, dalga boyu ve frekans bant genişlikleri aşağıdaki formül kullanılarak dönüştürülür; burada λ ve ν sırasıyla merkezi dalga boyu ve frekanstır ve Δλ ve Δν sırasıyla dalga boyu ve frekans cinsinden ifade edilen bant genişlikleridir.

Bant genişliği sınırlı darbe
Belirli bir darbe şekli için, darbenin spektral genişliği, kayma olmadığında en küçüktür. Bu zamanda, buna bant genişliği sınırlı veya Fourier dönüşüm limiti darbesi diyoruz. Darbe zamanı ve frekans bant genişliğinin çarpımı bir sabittir ve bu sabit zaman-bant genişliği çarpımı (TBP) olarak adlandırılır. Bant genişliği sınırlı Gaussian ve sech² darbelerinin zaman-bant genişliği çarpımları sırasıyla yaklaşık 0,441 ve 0,315'tir. Buna dayanarak, gerçek darbenin kayma miktarı ve kümülatif grup gecikme dağılımı da hesaplanabilir.

Bu nedenle, darbe genişliği ne kadar dar olursa, o kadar geniş bir Fourier spektrumu gerekir. Örneğin, 10 fs'lik bir darbenin bant genişliği en az 30 THz mertebesinde olmalıdır, attosaniye darbesinin bant genişliği ise daha da büyüktür ve merkez frekansı herhangi bir görünür ışık frekansından çok daha yüksek olmalıdır.

Darbe genişliğini etkileyen faktörler

Nanosaniye veya daha uzun darbelerin darbe genişliği, uzun mesafelerde bile, yayılma sırasında neredeyse hiç değişmese de, ultra kısa darbeler çeşitli faktörlerden etkilenebilir:

Dağılım önemli darbe genişlemesine neden olabilir, ancak ters dağılımla yeniden sıkıştırılabilir. Aşağıdaki şekil, mikroskop dağılımını telafi eden Thorlabs femtosaniye darbe kompresörünün çalışma prensibi şemasını göstermektedir.

Doğrusallık genellikle darbe genişliğini doğrudan etkilemez, ancak bant genişliğinin genişlemesine neden olur ve darbenin yayılma sırasında dağılıma daha duyarlı hale gelmesini sağlar.

Herhangi bir optik fiber türü (sınırlı bant genişliğine sahip diğer kazanç ortamları dahil), ultra kısa darbenin bant genişliğini veya şeklini etkileyebilir ve bant genişliğinde bir azalma zaman genişlemesine yol açabilir. Spektrumun Daralmasıyla birlikte güçlü bir şekilde kaydırılmış darbelerin darbe genişliğinin kısaldığı durumlar da vardır.