Kõige lihtsam meetod laserimpulsside genereerimiseks on pidevale laserile välise modulaatori lisamine. See meetod toodab impulsse sama kiiresti kui pikosekundeid, mis on lihtne, kuid raiskab optilist energiat ja tippvõimsus ei saa ületada pidevat optilist võimsust. Seetõttu on tõhusam meetod laserimpulsside genereerimiseks õõnsusesisene modulatsioon, kus energia salvestatakse purske väljalülitusajal ja vabastatakse sisselülitatud ajal.
Neli levinumat tehnikat, mida kasutatakse impulsside genereerimiseks laserõõnsuses modulatsiooni kaudu, on võimenduse lülitamine, Q-lülitamine (kadude ümberlülitamine), õõnsuse inversioon ja režiimi lukustamine.
Võimenduse lülitamine genereerib lühikesi impulsse, moduleerides pumba võimsust. Näiteks dioodiga võimenduslülitusega laserid on võimelised voolumodulatsiooni abil genereerima impulsse vahemikus mõnest nanosekundist kuni saja pikosekundini. Kuigi impulsi energia on madal, on see meetod väga paindlik, pakkudes näiteks häälestatavat sagedust ja impulsi laiust. Tokyo ülikooli teadlased teatasid 2018. aastal femtosekundilise võimendusega pooljuhtlaseri kasutamisest, mis andis märku läbimurdest 40-aasta tehnoloogilises kitsaskohas.
Tugevaid nanosekundilisi impulsse genereerivad tavaliselt Q-lülitusega laserid, kus laser kiirgatakse õõnsuse sees mõne edasi-tagasi käiguga, impulsienergiaga vahemikus mõni millidžaul kuni paar džauli, olenevalt süsteemi suurusest.
Mõõduka energiaga (tavaliselt alla 1 μJ) pikosekundilised ja femtosekundilised impulsid genereeritakse peamiselt režiimilukuga laserite abil, kusjuures laserresonantsõõnes on pidevas ahelas üks või mitu ülilühike impulssi, kusjuures õõnsusesisesed impulsid kiirgatakse ükshaaval läbi väljundi. ühenduspeegliga ja kordussagedusega, mis on üldiselt vahemikus 10 MHz kuni 100 GHz. Alloleval joonisel on kujutatud täiesti normaalse dispersiooni (ANDi) hajutav soliton femtosekundiline kiudlaseri seadistus, mida saab ehitada enamiku Thorlabsi standardkomponentidega (kiud, lääts, kinnitus ja nihkeaste).
Õõnsuste inversiooni tehnikaid saab kasutada nii Q-lülitusega laserite puhul, et saada lühemaid impulsse, kui ka režiimilukuga laserite puhul, et suurendada impulsi energiat madalamal kordussagedusel.
Aja- ja sagedusdomeeni impulsid
Impulsi lineaarne kuju ajas on üldiselt lihtne ja seda saab väljendada Gaussi ja sech² funktsioonina. Impulsi kestust (tuntud ka kui impulsi laiust) väljendatakse kõige sagedamini poole laiuse-kõrge magnituudi (FWHM) väärtusena, st laiusena, mis on hõlmatud optilise võimsusega, mis on vähemalt pool tippvõimsusest; lühikesi nanosekundilisi impulsse toodavad Q-lülitusega laserid ja mõnekümne pikosekundi kuni femtosekundi pikkuseid ultralühikesi impulsse (USP-d) režiimilukuga laserid. Kiire elektroonika suudab kõige kiiremini mõõta vaid mõnikümmend pikosekundit ja lühemaid impulsse saab mõõta ainult puhtalt optiliste tehnikate, nagu autokorrelaatorid, KONNAD ja ÄMBLIKUD, abil.
Kui impulsi kuju on teada, arvutatakse suhe impulsi energia (Ep), tippvõimsuse (Pp) ja impulsi laiuse (𝜏p) vahel järgmise võrrandi järgi:
kus fs on impulsi kujuga seotud koefitsient, mis on ligikaudu {{0}},94 Gaussi impulsside ja 0,88 sech²-impulsside korral, kuid on üldiselt ligikaudne 1.
Impulsi ribalaiust saab väljendada sageduse, lainepikkuse või nurksagedusena. Kui ribalaius on väike, teisendatakse lainepikkuse ja sageduse ribalaiused järgmise võrrandi abil, kus λ ja ν on vastavalt lainepikkus ja sagedus ning Δλ ja Δν on ribalaius vastavalt lainepikkuses ja sageduses.
Bandwidth Limit Impulss
Konkreetse impulsi kuju korral on impulsi spektraallaius piiksumise puudumisel väikseim, mida nimetatakse ribalaiusega piiratud või Fourier' teisendusega piiratud impulsiks, kus impulsi aja ja sagedusriba laiuse korrutis on konstant, mis on nimetatakse ajaribalaiuse korrutiseks (TBP). Impulsi aja ja sageduse ribalaiuse korrutis on konstant, mida nimetatakse ajariba laiuse korrutiseks (TBP). Piiratud ribalaiusega Gaussi ja sech² impulsside ajaribalaiuse korrutised on vastavalt umbes 0.441 ja 0.315; sellest saab välja arvutada impulsi tegeliku piiksumise ja kumulatiivse grupi-viivituse dispersiooni.
Seetõttu nõuavad kitsamad impulsi laiused laiemat Fourier' spektrit. Näiteks 10 fs impulsi ribalaius peab olema vähemalt suurusjärgus 30 THz, samas kui attosekundilise impulsi ribalaius peab olema veelgi suurem ja selle kesksagedus peab olema tunduvalt kõrgem kui nähtava valguse sagedus.
Impulsi laiust mõjutavad tegurid
Kuigi nanosekundilised või pikemad impulsid levivad impulsi laiuses vähe või üldse mitte, võivad ülilühikesi impulsse mõjutada mitmed tegurid:
Kromaatiline dispersioon võib põhjustada suuri impulsside levikuid, kuigi neid saab uuesti kokku suruda vastupidise dispersiooniga, nagu on näidatud alloleval diagrammil, mis illustreerib Thorlabsi Femtosekundi impulsskompressori tööd mikroskoobi dispersiooni kompenseerimiseks.
Mittelineaarsused üldiselt impulsi laiust otseselt ei mõjuta, kuid need võivad kaasa tuua laiemad ribalaiused ja muuta impulsi levimisel vastuvõtlikumaks.
Igat tüüpi kiud (kaasa arvatud muud piiratud ribalaiusega võimenduskandjad) võivad mõjutada ribalaiust või ülilühikese impulsi kuju ning ribalaiuse vähenemine võib viia aja laienemiseni; on ka juhtumeid, kus tugevalt piiksuvatel impulssidel on spektri kitsenedes lühem impulsi laius.
