بررسی اجمالی لیزر پالسی

ساده ترین روش برای تولید پالس های لیزر، افزودن یک مدولاتور خارجی به لیزر پیوسته است. این روش پالس هایی به سرعت پیکو ثانیه تولید می کند که ساده است اما انرژی نوری را هدر می دهد و اوج توان نمی تواند از توان نوری پیوسته بیشتر شود. بنابراین، یک روش کارآمدتر برای تولید پالس‌های لیزری مدولاسیون درون حفره‌ای است که در آن انرژی در زمان خاموشی انفجار ذخیره می‌شود و در زمان مشخص آزاد می‌شود.

چهار تکنیک رایج مورد استفاده برای تولید پالس ها از طریق مدولاسیون در حفره لیزر عبارتند از: سوئیچینگ بهره، سوئیچینگ Q (تلفات سوئیچینگ)، وارونگی حفره و قفل کردن حالت.

سوئیچینگ بهره با تعدیل توان پمپ، پالس های کوتاه تولید می کند. به عنوان مثال، لیزرهای دیودی سوئیچ شونده قادر به تولید پالس هایی در محدوده چند نانوثانیه تا صد پیکوثانیه از طریق مدولاسیون جریان هستند. اگرچه انرژی پالس کم است، اما این روش بسیار منعطف است، به عنوان مثال، فرکانس مجدد قابل تنظیم و عرض پالس را فراهم می کند. محققان دانشگاه توکیو یک لیزر نیمه هادی فمتوثانیه ای را در سال 2018 گزارش کردند که نشان دهنده پیشرفتی در یک تنگنای تکنولوژیکی 40- ساله است.

پالس‌های قوی نانوثانیه معمولاً توسط لیزرهای سوئیچ Q تولید می‌شوند، جایی که لیزر در چند دور رفت و برگشت در داخل حفره ساطع می‌شود، با انرژی‌های پالسی در محدوده چند میلی‌ژول تا چند ژول، بسته به اندازه سیستم.

انرژی متوسط ​​(معمولاً کمتر از 1 میکروژول) پالس‌های پیکوثانیه و فمتوثانیه عمدتاً توسط لیزرهای حالت قفل تولید می‌شوند، با یک یا چند پالس فوق‌کوتاه در یک حلقه پیوسته در حفره تشدید لیزر، با پالس‌های درون حفره‌ای که در یک زمان از طریق خروجی ساطع می‌شوند. آینه کوپلینگ و با فرکانس مجدد که عموماً در محدوده 10 مگاهرتز تا 100 گیگاهرتز است. شکل زیر یک راه اندازی لیزر فیبر فمتوثانیه اتلاف کننده سولیتون با پراکندگی کاملا نرمال (ANDi) را نشان می دهد که می تواند با اکثریت بزرگی از اجزای استاندارد Thorlabs (فیبر، لنز، مانت و مرحله جابجایی) ساخته شود.

تکنیک‌های وارونگی حفره را می‌توان هم برای لیزرهای سوئیچ Q برای به دست آوردن پالس‌های کوتاه‌تر و هم برای لیزرهای قفل‌شده برای افزایش انرژی پالس در فرکانس مجدد پایین‌تر استفاده کرد.

پالس های دامنه زمان و فرکانس

شکل خطی یک پالس در طول زمان به طور کلی ساده است و می تواند به صورت تابع گاوسی و sech² بیان شود. مدت زمان پالس (همچنین به عنوان عرض پالس شناخته می شود) اغلب به عنوان مقدار نیم عرض-بالا (FWHM) بیان می شود، به عنوان مثال، عرضی که توسط یک توان نوری حداقل نصف توان اوج در بر می گیرد. پالس های کوتاه نانوثانیه ای توسط لیزرهای سوئیچ Q تولید می شوند و پالس های فوق کوتاه (USPs) از چند ده پیکوثانیه تا فمتوثانیه توسط لیزرهای حالت قفل تولید می شوند. الکترونیک پرسرعت می‌تواند تنها چند ده پیکوثانیه را در سریع‌ترین حالت اندازه‌گیری کند و پالس‌های کوتاه‌تر را فقط می‌توان با کمک تکنیک‌های صرفاً نوری مانند همبستگی خودکار، FROG و SPIDER اندازه‌گیری کرد.

اگر شکل پالس مشخص باشد، رابطه بین انرژی پالس (Ep)، توان پیک (Pp) و عرض پالس (𝜏p) طبق رابطه زیر محاسبه می شود:

که در آن fs یک ضریب مربوط به شکل پالس است که تقریباً برای پالس‌های گاوسی {{0}}.94 و برای پالس‌های sech² 0.88 است، اما به طور کلی با 1 تقریب می‌شود.

پهنای باند پالس را می توان بر حسب فرکانس، طول موج یا فرکانس زاویه ای بیان کرد. اگر پهنای باند کوچک باشد، پهنای باند طول موج و فرکانس با استفاده از معادله زیر تبدیل می شوند، که λ و ν به ترتیب طول موج و فرکانس مرکزی هستند و Δλ و Δν به ترتیب پهنای باند در طول موج و فرکانس هستند.

پالس محدود پهنای باند

برای یک شکل پالس خاص، پالس کمترین عرض طیفی را در غیاب صدای جیر جیر دارد که به آن پالس محدود با پهنای باند یا محدود با تبدیل فوریه می گویند، که در آن حاصل ضرب زمان پالس و پهنای باند فرکانس ثابت است، که محصول پهنای باند زمان (TBP) نامیده می شود. حاصل ضرب زمان پالس و پهنای باند فرکانس ثابتی است به نام حاصلضرب پهنای باند زمان (TBP). محصولات پهنای باند زمان پالس‌های Gaussian و sech² محدود به پهنای باند به ترتیب حدود 0.441 و 0.315 هستند. صدای جیر جیر واقعی پالس و پراکندگی تجمعی تاخیر گروهی را می توان از این محاسبه کرد.

بنابراین، عرض پالس های باریک تر به طیف فوریه وسیع تری نیاز دارد. به عنوان مثال، یک پالس 10 fs باید حداقل پهنای باندی برابر با 30 هرتز داشته باشد، در حالی که یک پالس آتوثانیه دارای پهنای باند حتی بیشتر است و فرکانس مرکزی آن باید بسیار بالاتر از هر فرکانس نور مرئی باشد.

عوامل موثر بر عرض پالس

در حالی که پالس‌های نانوثانیه یا طولانی‌تر با تغییر کم یا بدون تغییر در عرض پالس منتشر می‌شوند، حتی در فواصل طولانی، پالس‌های فوق کوتاه می‌توانند تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار گیرند:

پراکندگی رنگی می تواند منجر به پخش پالس های بزرگ شود، اگرچه می توان آنها را با پراکندگی مخالف دوباره فشرده کرد، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، که عملکرد کمپرسور پالس فمتوثانیه Thorlabs را برای جبران پراکندگی میکروسکوپ نشان می دهد.

غیرخطی‌ها معمولاً مستقیماً بر عرض پالس تأثیر نمی‌گذارند، اما می‌توانند به پهنای باند وسیع‌تر منجر شوند و پالس را در معرض پراکندگی در انتشار قرار دهند.

هر نوع فیبر (از جمله سایر رسانه های افزایش با پهنای باند محدود) ممکن است بر روی پهنای باند یا شکل پالس فوق کوتاه تأثیر بگذارد و کاهش پهنای باند ممکن است منجر به افزایش زمان شود. همچنین مواردی وجود دارد که با باریک شدن طیف، پالس هایی که به شدت صدا می زنند، عرض پالس های کوتاه تری دارند.