Обзор импульсных лазеров

Обзоримпульсные лазеры

Самый прямой способ созданиялазерДля генерации импульсов используется модулятор, расположенный снаружи непрерывного лазера. Этот метод позволяет получить самый быстрый пикосекундный импульс, несмотря на простоту, но потери световой энергии и пиковая мощность не могут превышать мощность непрерывного света. Поэтому более эффективным способом генерации лазерных импульсов является модуляция в резонаторе лазера, которая позволяет накапливать энергию в моменты выключения последовательности импульсов и высвобождать её в моменты включения. Для генерации импульсов посредством модуляции лазерного резонатора используются четыре распространённых метода: переключение усиления, модуляция добротности (переключение потерь), опорожнение резонатора и синхронизация мод.

Переключатель усиления генерирует короткие импульсы, модулируя мощность накачки. Например, полупроводниковые лазеры с модуляцией усиления могут генерировать импульсы длительностью от нескольких наносекунд до сотен пикосекунд посредством модуляции тока. Несмотря на низкую энергию импульса, этот метод очень гибок, например, позволяет регулировать частоту повторения и длительность импульса. В 2018 году исследователи из Токийского университета сообщили о создании фемтосекундного полупроводникового лазера с модуляцией усиления, что стало прорывом в решении 40-летней технической проблемы.

Мощные наносекундные импульсы обычно генерируются лазерами с модуляцией добротности, которые излучаются за несколько циклов в резонаторе, а энергия импульса находится в диапазоне от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей, в зависимости от размера системы. Пикосекундные и фемтосекундные импульсы средней энергии (обычно менее 1 мкДж) генерируются в основном лазерами с синхронизацией мод. В резонаторе лазера имеется один или несколько ультракоротких импульсов, которые непрерывно синхронизируются. Каждый внутрирезонаторный импульс проходит через выходное зеркало связи, а частота перестройки обычно находится в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц. На рисунке ниже показан диссипативный фемтосекундный солитон с полностью нормальной дисперсией (ANDi).волоконно-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 полувысоте (FWHM), то есть шириной, на которой оптическая мощность составляет не менее половины пиковой мощности. Лазер с модуляцией добротности генерирует короткие наносекундные импульсы через
Лазеры с синхронизацией мод генерируют сверхкороткие импульсы (УКИ) длительностью от десятков пикосекунд до фемтосекунд. Высокоскоростная электроника способна измерять импульсы длительностью лишь 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 и более длинные импульсы практически не меняют свою длительность при распространении даже на большие расстояния, сверхкороткие импульсы могут быть подвержены влиянию ряда факторов:

Дисперсия может привести к значительному уширению импульса, но может быть повторно сжата с противоположной дисперсией. На следующей диаграмме показано, как компрессор фемтосекундных импульсов Thorlabs компенсирует микроскопическую дисперсию.

Нелинейность, как правило, не влияет напрямую на ширину импульса, но расширяет его полосу пропускания, делая импульс более подверженным дисперсии при распространении. 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. Существуют также случаи, когда ширина сильно чирпированного импульса становится короче при сужении спектра.