Den enkleste metoden for å generere laserpulser er å legge til en modulator eksternt til den kontinuerlige laseren. Denne metoden produserer pulser så raskt som pikosekunder, noe som er enkelt, men sløser med optisk energi, og toppeffekten kan ikke overstige den kontinuerlige optiske effekten. Derfor er en mer effektiv metode for å generere laserpulser intrakavitetsmodulasjon, hvor energien lagres ved av-tiden for utbruddet og frigjøres ved på-tiden.
De fire vanlige teknikkene som brukes til å generere pulser gjennom modulering i laserhulrommet er forsterkningssvitsjing, Q-svitsjing (tapsvitsjing), hulrominversjon og moduslåsing.
Forsterkningssvitsjing genererer korte pulser ved å modulere pumpeeffekten. For eksempel er diodeforsterkningssvitsjede lasere i stand til å generere pulser i området fra noen få nanosekunder til hundre pikosekunder gjennom strømmodulasjon. Selv om pulsenergien er lav, er denne metoden veldig fleksibel, for eksempel gir den justerbar re-frekvens og pulsbredde. Forskere ved University of Tokyo rapporterte om en femtosekund-forsterkningssvitsjet halvlederlaser i 2018, som signaliserte et gjennombrudd i en 40-års teknologisk flaskehals.
Sterke nanosekundpulser genereres typisk av Q-svitsjede lasere, der laseren sendes ut i løpet av noen få rundturer inne i hulrommet, med pulsenergier i området noen få millijoule til noen få joule, avhengig av størrelsen på systemet.
Moderat energi (vanligvis under 1 μJ) pikosekund- og femtosekundpulser genereres primært av moduslåste lasere, med en eller flere ultrakorte pulser tilstede i en kontinuerlig sløyfe i laserresonanshulrommet, med intrakavitetspulsene sendt ut en om gangen gjennom utgangen koblingsspeil, og med en re-frekvens som vanligvis er i området 10 MHz til 100 GHz. Figuren nedenfor viser et all-normal dispersion (ANDi) dissipativ soliton femtosekund fiberlaseroppsett, som kan bygges med et stort flertall av Thorlabs' standardkomponenter (fiber, linse, montering og forskyvningstrinn).
Kavitetsinversjonsteknikker kan brukes både for Q-svitsjede lasere for å oppnå kortere pulser og for moduslåste lasere for å øke pulsenergien ved en lavere re-frekvens.
Tids- og frekvensdomenepulser
Den lineære formen til en puls over tid er generelt enkel og kan uttrykkes som en Gauss- og sech²-funksjon. Pulsvarighet (også kjent som pulsbredde) uttrykkes oftest som en halvbredde-høymagnitude-verdi (FWHM), dvs. bredden spennet over en optisk effekt på minst halvparten av toppeffekten; korte nanosekunderspulser produseres av Q-switched lasere, og ultrakorte pulser (USP) på noen titalls pikosekunder til femtosekunder produseres av moduslåste lasere. Høyhastighetselektronikk kan måle bare noen få titalls pikosekunder på det raskeste, og kortere pulser kan kun måles ved hjelp av rent optiske teknikker som autokorrelatorer, FROGs og SPIDERs.
Hvis pulsformen er kjent, beregnes forholdet mellom pulsenergi (Ep), toppeffekt (Pp) og pulsbredde (𝜏p) i henhold til følgende ligning:
hvor fs er en koeffisient relatert til formen på pulsen, som er omtrentlig {{0}},94 for Gauss-pulser og 0,88 for sech²-pulser, men er vanligvis tilnærmet med 1.
Båndbredden til pulsen kan uttrykkes i form av frekvens, bølgelengde eller vinkelfrekvens. Hvis båndbredden er liten, konverteres bølgelengden og frekvensbåndbredden ved hjelp av følgende ligning, der λ og ν er henholdsvis senterbølgelengden og frekvensen, og Δλ og Δν er båndbredden i henholdsvis bølgelengde og frekvens.
Båndbreddegrensepuls
For en bestemt pulsform har pulsen den minste spektrale bredden i fravær av chirp, som kalles den båndbreddebegrensede eller Fourier-transformeringsbegrensede pulsen, hvor produktet av pulstiden og frekvensbåndbredden er en konstant, som er kalt tidsbåndbreddeproduktet (TBP). Produktet av pulstiden og frekvensbåndbredden er en konstant kalt tidsbåndbreddeproduktet (TBP). Tidsbåndbreddeproduktene til de båndbreddebegrensede Gauss- og sech²-pulsene er henholdsvis ca. 0.441 og 0.315; den faktiske kvitringen av pulsen og den kumulative gruppeforsinkelsesdispersjonen kan beregnes ut fra dette.
Derfor krever smalere pulsbredder bredere Fourier-spektra. For eksempel må en 10 fs-puls ha en båndbredde på minst størrelsesorden 30 THz, mens en attosecond-puls har en enda større båndbredde, og dens senterfrekvens må være godt over enhver synlig lysfrekvens.
Faktorer som påvirker pulsbredden
Mens nanosekunder eller lengre pulser forplanter seg med liten eller ingen endring i pulsbredde, selv over lange avstander, kan ultrakorte pulser påvirkes av en rekke faktorer:
Kromatisk dispersjon kan føre til store pulsspredninger, selv om de kan rekomprimeres med motsatt dispersjon, som vist i diagrammet nedenfor, som illustrerer virkemåten til Thorlabs Femtosecond Pulse Compressor for å kompensere for mikroskopdispersjon.
Ikke-lineariteter påvirker vanligvis ikke pulsbredden direkte, men de kan føre til bredere båndbredder og gjøre pulsen mer utsatt for spredning i forplantning.
Enhver type fiber (inkludert andre forsterkningsmedier med begrenset båndbredde) kan påvirke båndbredden eller formen på den ultrakorte pulsen, og en reduksjon i båndbredden kan føre til tidsutvidelse; det er også tilfeller der sterkt kvitrede pulser har kortere pulsbredde ettersom spekteret smalner.
