Yksinkertaisin tapa tuottaa laserpulsseja on lisätä jatkuvaan laseriin ulkopuolinen modulaattori. Tämä menetelmä tuottaa pulsseja pikosekuntien nopeudella, mikä on yksinkertaista, mutta hukkaa optista energiaa, eikä huipputeho voi ylittää jatkuvaa optista tehoa. Siksi tehokkaampi menetelmä laserpulssien generoimiseksi on onkalonsisäinen modulaatio, jossa energia varastoidaan purskeen poiskytkentähetkellä ja vapautetaan sen ollessa päällä.
Neljä yleistä tekniikkaa, joita käytetään pulssien tuottamiseen moduloimalla laserontelon sisällä, ovat vahvistuksen kytkentä, Q-kytkentä (häviökytkentä), onkalon inversio ja tilan lukitus.
Vahvistuksen kytkentä tuottaa lyhyitä pulsseja moduloimalla pumpun tehoa. Esimerkiksi diodivahvistuskytketyt laserit pystyvät generoimaan pulsseja muutamasta nanosekunnista sataan pikosekuntiin virran modulaation avulla. Vaikka pulssienergia on alhainen, tämä menetelmä on erittäin joustava, esimerkiksi mahdollistaen viritettävän uudelleentaajuuden ja pulssin leveyden. Tokion yliopiston tutkijat raportoivat vuonna 2018 femtosekuntivahvistuskytketystä puolijohdelaserista, mikä merkitsi läpimurtoa 40-vuoden teknologisessa pullonkaulassa.
Voimakkaita nanosekunnin pulsseja tuotetaan tyypillisesti Q-kytketyillä lasereilla, joissa laser säteilee muutaman edestakaisen matkan sisällä ontelon sisällä, ja pulssienergiat ovat muutamasta millijoulesta muutamaan jouleen järjestelmän koosta riippuen.
Kohtalaisen energian (yleensä alle 1 μJ) piko- ja femtosekuntipulsseja tuottavat ensisijaisesti tilalukitut laserit, joissa laserresonanssiontelossa on jatkuvassa silmukassa yksi tai useampi ultralyhyt pulssi, ja onkalonsisäiset pulssit lähetetään yksi kerrallaan lähdön kautta. kytkentäpeiliin ja uudelleentaajuudella, joka on yleensä välillä 10 MHz - 100 GHz. Alla oleva kuva näyttää täysin normaalin dispersion (ANDi) dissipatiivisen solitonin femtosekundin kuitulaser-kokoonpanon, joka voidaan rakentaa suurimmalla osalla Thorlabsin vakiokomponenteista (kuitu, linssi, kiinnitys ja siirtovaihe).
Kaviteettiinversiotekniikoita voidaan käyttää sekä Q-kytketyissä lasereissa lyhyempien pulssien saamiseksi että tilalukittuissa lasereissa pulssienergian lisäämiseksi pienemmällä uudelleentaajuudella.
Aika- ja taajuusalueen pulssit
Pulssin lineaarinen muoto ajan suhteen on yleensä yksinkertainen ja se voidaan ilmaista Gaussin ja sech²-funktiona. Pulssin kesto (tunnetaan myös pulssin leveyksinä) ilmaistaan useimmiten puolen leveyden ja korkean magnitudin (FWHM) -arvona, eli leveyteenä, jonka optinen teho kattaa vähintään puolet huipputehosta; lyhyitä nanosekunnin pulsseja tuotetaan Q-kytketyillä lasereilla, ja ultralyhyitä pulsseja (USP), joiden pituus on muutamasta kymmenestä pikosekunnista femtosekuntiin, moodilukitut laserit. Nopea elektroniikka pystyy mittaamaan nopeimmillaan vain muutaman kymmenen pikosekuntia, ja lyhyempiä pulsseja voidaan mitata vain puhtaasti optisten tekniikoiden, kuten autokorrelaattoreiden, sammakoiden ja SPIDERien avulla.
Jos pulssin muoto on tiedossa, pulssienergian (Ep), huipputehon (Pp) ja pulssin leveyden (𝜏p) välinen suhde lasketaan seuraavan yhtälön mukaisesti:
jossa fs on pulssin muotoon liittyvä kerroin, joka on noin {{0}},94 Gaussin pulsseille ja 0,88 sech²-pulsseille, mutta se on yleensä likiarvo 1:llä.
Pulssin kaistanleveys voidaan ilmaista taajuudella, aallonpituudella tai kulmataajuudella. Jos kaistanleveys on pieni, aallonpituus ja taajuuskaistanleveydet muunnetaan käyttämällä seuraavaa yhtälöä, jossa λ ja ν ovat vastaavasti keskiaallonpituus ja -taajuus, ja Δλ ja Δν ovat kaistanleveys aallonpituuksina ja taajuuksina, vastaavasti.
Kaistanleveyden rajoituspulssi
Tietylle pulssimuodolle pulssilla on pienin spektrin leveys ilman sirkutusta, jota kutsutaan kaistanleveysrajoitetuksi tai Fourier-muunnoksella rajoitetuksi pulssiksi, jossa pulssin ajan ja taajuuden kaistanleveyden tulo on vakio, joka on kutsutaan aikakaistanleveystuotteeksi (TBP). Pulssiajan ja taajuuden kaistanleveyden tulo on vakio, jota kutsutaan aikakaistanleveyden tuloksi (TBP). Kaistanleveysrajoitettujen Gauss- ja sech²-pulssien aikakaistanleveystulot ovat noin 0.441 ja 0.315, vastaavasti; Tästä voidaan laskea pulssin todellinen sirkutus ja kumulatiivinen ryhmäviivedispersio.
Siksi kapeammat pulssinleveydet vaativat laajemmat Fourier-spektrit. Esimerkiksi 10 fs pulssin kaistanleveyden on oltava vähintään luokkaa 30 THz, kun taas attosekunnin pulssin kaistanleveys on vielä suurempi ja sen keskitaajuuden on oltava selvästi näkyvän valon taajuuden yläpuolella.
Pulssin leveyteen vaikuttavat tekijät
Vaikka nanosekunnin tai pidemmät pulssit etenevät vain vähän tai ei ollenkaan pulssin leveyden muutosta, jopa pitkiä matkoja, ultralyhyisiin pulsseihin voivat vaikuttaa useat tekijät:
Kromaattinen dispersio voi johtaa suuriin pulssin leviämiin, vaikka ne voidaan kompressoida uudelleen päinvastaisella dispersiolla, kuten alla olevassa kaaviossa esitetään, joka havainnollistaa Thorlabs Femtosecond Pulse Compressorin toimintaa mikroskoopin dispersion kompensoimiseksi.
Epälineaarisuudet eivät yleensä vaikuta suoraan pulssin leveyteen, mutta ne voivat johtaa laajempiin kaistanleveyksiin ja tehdä pulssista alttiimman leviämiselle.
Kaikki kuitutyypit (mukaan lukien muut vahvistusmediat, joilla on rajoitettu kaistanleveys) voivat vaikuttaa kaistanleveyteen tai ultralyhyen pulssin muotoon, ja kaistanleveyden pieneneminen voi johtaa ajan levenemiseen; on myös tapauksia, joissa voimakkaasti sirkutetuilla pulsseilla on lyhyempi pulssin leveys spektrin kaventuessa.
