Cách trực tiếp nhất để tạo ra xung laser là thêm một bộ điều biến bên ngoài laser liên tục. Phương pháp này có thể tạo ra các xung nhanh nhất ở mức picosecond. Mặc dù đơn giản, nó lãng phí năng lượng ánh sáng và công suất đỉnh không thể vượt quá công suất ánh sáng liên tục. Do đó, một cách hiệu quả hơn để tạo ra xung laser là điều biến khoang laser, lưu trữ năng lượng trong thời gian tắt của chuỗi xung và giải phóng nó trong thời gian bật. Sự so sánh của hai phương pháp như sau:
Bốn kỹ thuật thường được sử dụng để tạo xung thông qua điều biến khoang laser là chuyển đổi độ lợi, chuyển đổi Q (chuyển đổi tổn thất), làm rỗng khoang và khóa chế độ.
Chuyển đổi độ lợi tạo ra các xung ngắn bằng cách điều biến công suất bơm. Ví dụ, laser chuyển đổi độ lợi bán dẫn có thể tạo ra các xung từ vài nanosecond đến một trăm picosecond thông qua điều biến dòng điện. Mặc dù năng lượng xung thấp, phương pháp này rất linh hoạt, chẳng hạn như cung cấp tốc độ lặp lại và độ rộng xung có thể điều chỉnh.
Các xung nanosecond mạnh thường được tạo ra bởi laser Q-switched. Laser được phát ra trong vòng vài lần đi lại trong khoang và năng lượng xung dao động từ vài millijoule đến vài joule, có liên quan cụ thể đến kích thước của hệ thống.
Các xung picosecond và femtosecond năng lượng trung bình (thường dưới 1 μJ) chủ yếu được tạo ra bởi laser khóa chế độ. Có một hoặc nhiều xung siêu ngắn trong các chu kỳ liên tục trong khoang cộng hưởng laser. Mỗi khi xung khoang đi qua gương ghép đầu ra, nó phát ra một xung và tần số lặp lại thường nằm trong khoảng từ 10 MHz đến 100 GHz. Hình sau đây cho thấy một thiết bị laser sợi femtosecond soliton tiêu tán (ANDi) phân tán hoàn toàn bình thường. Phần lớn nó có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các thành phần tiêu chuẩn của Thorlabs (sợi, ống kính, ghế lắp và giai đoạn dịch chuyển).
Công nghệ thông hơi khoang có thể được áp dụng không chỉ cho laser Q-switched để có được các xung ngắn hơn mà còn cho laser khóa chế độ để tăng năng lượng xung ở tốc độ lặp lại thấp hơn.
Xung miền thời gian và miền tần số
Hình dạng tuyến tính của một xung thay đổi theo thời gian thường đơn giản và có thể được biểu diễn bằng các hàm Gaussian và sech². Thời gian xung (còn được gọi là độ rộng xung) thường được biểu thị bằng giá trị độ rộng nửa chiều cao (FWHM), là độ rộng mà công suất quang học ít nhất bằng một nửa công suất đỉnh. Các xung ngắn ở mức nanosecond được tạo ra bởi laser Q-switched và các xung siêu ngắn (USP) từ hàng chục picosecond đến femtosecond được tạo ra bởi laser khóa chế độ. Thiết bị điện tử tốc độ cao chỉ có thể đo các xung hàng chục picosecond ở tốc độ nhanh nhất. Các xung ngắn hơn chỉ có thể được đo bằng các kỹ thuật quang học thuần túy, chẳng hạn như bộ tự tương quan, FROG và SPIDER.
Nếu hình dạng xung đã biết, mối quan hệ giữa năng lượng xung (Ep), công suất đỉnh (Pp) và độ rộng xung (tp) được tính theo công thức sau:
Trong số đó, fs là một hệ số liên quan đến hình dạng xung, xấp xỉ 0,94 đối với xung Gaussian và khoảng 0,88 đối với xung sech², nhưng nói chung, nó được tính xấp xỉ là 1.
Băng thông của một xung có thể được biểu thị bằng tần số, bước sóng hoặc tần số góc. Nếu băng thông nhỏ, băng thông bước sóng và tần số được chuyển đổi bằng công thức sau, trong đó λ và ν lần lượt là bước sóng và tần số trung tâm, và Δλ và Δν lần lượt là băng thông được biểu thị bằng bước sóng và tần số.
Xung giới hạn băng thông
Đối với một hình dạng xung cụ thể, độ rộng phổ của xung là nhỏ nhất khi không có chirp. Tại thời điểm này, chúng ta gọi nó là xung giới hạn băng thông hoặc biến đổi Fourier. Tích của thời gian xung và băng thông tần số của nó là một hằng số và hằng số này được gọi là tích thời gian-băng thông (TBP). Tích thời gian-băng thông của xung Gaussian và sech² giới hạn băng thông lần lượt là khoảng 0,441 và 0,315. Dựa trên điều này, lượng chirp của xung thực tế và sự phân tán trễ nhóm tích lũy cũng có thể được tính toán.
Do đó, độ rộng xung càng hẹp thì phổ Fourier cần thiết càng rộng. Ví dụ, băng thông của một xung 10 fs phải ở mức ít nhất là 30 THz, trong khi băng thông của một xung attosecond thậm chí còn lớn hơn và tần số trung tâm của nó phải cao hơn nhiều so với bất kỳ tần số ánh sáng khả kiến nào.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ rộng xung
Mặc dù độ rộng xung của các xung nanosecond hoặc dài hơn hầu như không thay đổi trong quá trình lan truyền, ngay cả trên một khoảng cách dài, các xung siêu ngắn có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau:
Sự phân tán có thể gây ra sự mở rộng xung đáng kể, nhưng nó có thể được nén lại bằng sự phân tán ngược lại. Hình sau đây cho thấy sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ nén xung femtosecond Thorlabs bù cho sự phân tán kính hiển vi.
Tính phi tuyến nói chung không ảnh hưởng trực tiếp đến độ rộng xung, nhưng nó sẽ làm cho băng thông rộng hơn, làm cho xung dễ bị phân tán hơn trong quá trình lan truyền.
Bất kỳ loại sợi quang nào (bao gồm cả các môi trường khuếch đại khác có băng thông giới hạn) có thể ảnh hưởng đến băng thông hoặc hình dạng của xung siêu ngắn và việc giảm băng thông có thể dẫn đến sự mở rộng thời gian. Ngoài ra còn có những trường hợp độ rộng xung của các xung bị chirp mạnh thu hẹp khi phổ thu hẹp.