Обзор импульсных лазеров

Обзоримпульсные лазеры

Самый прямой способ генерациилазерМетод генерации импульсов заключается в добавлении модулятора к внешней стороне непрерывного лазера. Этот метод позволяет получать самые быстрые пикосекундные импульсы, хотя и прост, но приводит к потерям световой энергии, а пиковая мощность не может превышать мощность непрерывного излучения. Поэтому более эффективным способом генерации лазерных импульсов является модуляция в лазерном резонаторе, накопление энергии в момент выключения последовательности импульсов и её высвобождение в момент включения. Четыре распространенных метода генерации импульсов посредством модуляции лазерного резонатора — это переключение усиления, модуляция добротности (переключение потерь), опустошение резонатора и синхронизация мод.

Переключатель усиления генерирует короткие импульсы путем модуляции мощности накачки. Например, полупроводниковые лазеры с переключателем усиления могут генерировать импульсы длительностью от нескольких наносекунд до сотен пикосекунд за счет модуляции тока. Хотя энергия импульса низка, этот метод очень гибок, например, позволяет регулировать частоту повторения и ширину импульса. В 2018 году исследователи из Токийского университета сообщили о создании фемтосекундного полупроводникового лазера с переключателем усиления, что стало прорывом в преодолении 40-летнего технического барьера.

Мощные наносекундные импульсы обычно генерируются лазерами с модуляцией добротности (Q-switched lasers), излучение которых происходит за несколько проходов внутри резонатора. 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 присутствует один или несколько сверхкоротких импульсов, которые непрерывно циклически повторяются. Каждый внутрирезонаторный импульс передает импульс через выходное согласующее зеркало, а частота резонатора обычно находится в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц. На рисунке ниже показан фемтосекундный диссипативный солитон с полностью нормальной дисперсией (ANDi).волоконный лазерный аппаратБольшинство из которых можно собрать, используя стандартные компоненты Thorlabs (волокно, линза, крепление и стол для перемещения).

Техника 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 частоте повторного импульса.

Импульсы во временной и частотной областях
Линейная форма импульса во времени, как правило, относительно проста и может быть выражена гауссовой функцией и функцией sech². Время импульса (также известное как ширина импульса) чаще всего выражается значением ширины на половине высоты (FWHM), то есть шириной, на которой оптическая мощность составляет не менее половины пиковой мощности; Q-импульсный лазер генерирует короткие наносекундные импульсы посредством
Лазеры с синхронизацией мод генерируют сверхкороткие импульсы (СВИ) длительностью от десятков пикосекунд до фемтосекунд. Высокоскоростная электроника может измерять импульсы длительностью 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 ширину по мере распространения, даже на большие расстояния, на сверхкороткие импульсы могут влиять различные факторы:

Дисперсия может привести к значительному расширению импульса, но его можно повторно сжать с противоположной дисперсией. На следующей диаграмме показано, как компрессор фемтосекундных импульсов Thorlabs компенсирует дисперсию микроскопа.

Нелинейность, как правило, не оказывает прямого влияния 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 сверхкороткого импульса, а уменьшение полосы пропускания может привести к расширению во времени; также встречаются случаи, когда ширина сильно чирпированного импульса становится короче при сужении спектра.