Обзор импульсных лазеров

Обзоримпульсные лазеры

Самый прямой способ созданиялазеримпульсов заключается в добавлении модулятора к внешней стороне непрерывного лазера. Этот метод может производить самый быстрый пикосекундный импульс, хотя и простой, но потеря световой энергии и пиковая мощность не могут превышать непрерывную световую мощность. Поэтому более эффективным способом генерации лазерных импульсов является модуляция в лазерной полости, запасание энергии в выключенном состоянии импульсной последовательности и ее высвобождение в выключенном состоянии. Четыре распространенных метода, используемых для генерации импульсов посредством модуляции лазерной полости, — это переключение усиления, переключение добротности (переключение потерь), опорожнение полости и синхронизация мод.

Переключатель усиления генерирует короткие импульсы, модулируя мощность накачки. Например, полупроводниковые лазеры с переключением усиления могут генерировать импульсы от нескольких наносекунд до сотни пикосекунд с помощью модуляции тока. Хотя энергия импульса низкая, этот метод очень гибкий, например, обеспечивает регулируемую частоту повторения и ширину импульса. В 2018 году исследователи из Токийского университета сообщили о фемтосекундном полупроводниковом лазере с переключением усиления, что представляет собой прорыв в 40-летнем техническом узком месте.

Сильные наносекундные импульсы обычно генерируются лазерами с модуляцией добротности, которые излучаются за несколько круговых проходов в полости, а энергия импульса находится в диапазоне от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей, в зависимости от размера системы. Пикосекундные и фемтосекундные импульсы средней энергии (обычно ниже 1 мкДж) в основном генерируются лазерами с синхронизацией мод. В лазерном резонаторе имеется один или несколько сверхкоротких импульсов, которые непрерывно циклируют. Каждый внутрирезонаторный импульс передает импульс через выходное зеркало связи, а перечастота обычно составляет от 10 МГц до 100 ГГц. На рисунке ниже показан полностью нормальный дисперсионный (ANDi) диссипативный солитон фемтосекундноговолоконно-лазерное устройство, большинство из которых можно построить с использованием стандартных компонентов Thorlabs (волокно, линза, крепление и стол смещения).

Методика опорожнения полости может быть использована дляЛазеры с модуляцией добротностидля получения более коротких импульсов и лазеров с синхронизацией мод для увеличения энергии импульса при более низкой перечастоте.

Импульсы во временной и частотной областях
Линейная форма импульса во времени обычно относительно проста и может быть выражена функциями Гаусса и sech². Длительность импульса (также известная как ширина импульса) чаще всего выражается значением ширины на половине высоты (FWHM), то есть шириной, на которой оптическая мощность составляет по крайней мере половину пиковой мощности; лазер с модуляцией добротности генерирует короткие наносекундные импульсы через
Лазеры с синхронизацией мод производят ультракороткие импульсы (УКИ) длительностью от десятков пикосекунд до фемтосекунд. Высокоскоростная электроника может измерять только до десятков пикосекунд, а более короткие импульсы можно измерить только с помощью чисто оптических технологий, таких как автокорреляторы, FROG и SPIDER. В то время как наносекундные или более длинные импульсы практически не меняют свою ширину по мере распространения, даже на большие расстояния, на ультракороткие импульсы может влиять множество факторов:

Дисперсия может привести к большому расширению импульса, но может быть повторно сжата с противоположной дисперсией. Следующая диаграмма показывает, как компрессор фемтосекундных импульсов Thorlabs компенсирует дисперсию микроскопа.

Нелинейность обычно не влияет напрямую на ширину импульса, но расширяет полосу пропускания, делая импульс более восприимчивым к дисперсии во время распространения. Любой тип волокна, включая другие усиливающие среды с ограниченной полосой пропускания, может влиять на форму полосы пропускания или ультракороткого импульса, а уменьшение полосы пропускания может привести к расширению во времени; также есть случаи, когда ширина импульса сильно чирпированного импульса становится короче, когда спектр становится уже.