La manière la plus directe de générer des impulsions laser est d'ajouter un modulateur externe au laser continu. Cette méthode peut générer les impulsions les plus rapides au niveau des picosecondes. Bien que simple, elle gaspille de l'énergie lumineuse et la puissance de crête ne peut pas dépasser la puissance optique continue. Par conséquent, une méthode plus efficace pour générer des impulsions laser est la modulation intracavitaire du laser, qui stocke l'énergie pendant le temps d'arrêt du train d'impulsions et la libère pendant le temps d'activation. Une comparaison des deux méthodes est la suivante :
Quatre techniques courantes pour générer des impulsions par modulation intracavitaire du laser sont le gain switching, le Q switching (perte switching), le vidage de cavité et le mode locking.
- Le gain switch génère des impulsions courtes en modulant la puissance de pompage. Par exemple, les lasers à gain switché à semi-conducteurs peuvent générer des impulsions allant de quelques nanosecondes à des centaines de picosecondes par modulation de courant. Bien que l'énergie des impulsions soit faible, cette méthode est très flexible, comme la fourniture d'une fréquence de répétition et d'une largeur d'impulsion ajustables. Des chercheurs de l'Université de Tokyo ont rapporté en 2018 un laser à semi-conducteurs à gain switché de niveau femtoseconde, ce qui a marqué une percée dans le goulot d'étranglement technique de 40 ans.
- Des impulsions nanosecondes fortes sont généralement générées par des lasers à Q-switch. Le laser est émis lors de plusieurs allers-retours dans la cavité. L'énergie des impulsions varie de quelques millijoules à quelques joules, selon la taille du système.
- Les impulsions picosecondes et femtosecondes de moyenne énergie (généralement inférieure à 1 μJ) sont principalement générées par des lasers à mode verrouillé. Il y a une ou plusieurs impulsions ultracourtes en circulation continue dans la cavité résonante du laser. Chaque impulsion intracavitaire est émise par le miroir de couplage de sortie. La fréquence de répétition des impulsions est généralement comprise entre 10 MHz et 100 GHz. La figure ci-dessous montre un dispositif laser à fibre femtoseconde à soliton dissipatif à dispersion entièrement normale (ANDi), dont la plupart peuvent être construits à l'aide de composants standard Thorlabs (fibre, lentille, base de montage et étage de déplacement).
- La technologie de vidage de cavité peut être utilisée non seulement pour les lasers à Q-switch afin d'obtenir des impulsions plus courtes, mais aussi pour les lasers à mode verrouillé afin d'augmenter l'énergie des impulsions à des fréquences de répétition plus basses.
Impulsions dans le domaine temporel et fréquentiel
La forme linéaire de l'impulsion changeant au fil du temps est généralement relativement simple et peut être représentée par des fonctions gaussiennes et sech². Le temps d'impulsion (également appelé largeur d'impulsion) est le plus souvent représenté par la valeur de demi-largeur maximale (FWHM), c'est-à-dire la largeur couverte par la puissance optique à au moins la moitié de la puissance de crête ; des impulsions courtes de niveau nanoseconde sont générées par des lasers à Q-switch, et plusieurs impulsions nanosecondes sont générées par des lasers à mode verrouillé. Les impulsions ultracourtes (USP) vont de dix picosecondes à des femtosecondes. L'électronique haute vitesse ne peut mesurer que des dizaines de picosecondes au mieux, et des impulsions plus courtes ne peuvent être obtenues qu'avec des technologies purement optiques, telles que les autocorrélateurs, FROG et SPIDER.
Si la forme de l'impulsion est connue, la relation entre l'énergie de l'impulsion (Ep), la puissance de crête (Pp) et la largeur d'impulsion (𝜏p) est calculée selon la formule suivante :
où fs est un coefficient lié à la forme de l'impulsion, qui est d'environ 0,94 pour les impulsions gaussiennes et d'environ 0,88 pour les impulsions sech², mais est généralement calculé approximativement comme 1.
La bande passante d'une impulsion peut être exprimée en fréquence, en longueur d'onde ou en fréquence angulaire. Si la bande passante est petite, la bande passante en longueur d'onde et en fréquence est convertie à l'aide de la formule suivante, où λ et ν sont respectivement la longueur d'onde et la fréquence centrales, et Δλ et Δν sont la bande passante exprimée en longueur d'onde et en fréquence respectivement.
Limite de bande passante d'impulsion Pour une forme d'impulsion spécifique, la largeur du spectre de l'impulsion est minimale lorsqu'il n'y a pas de chirp. À ce moment-là, nous l'appelons impulsion à limite de bande passante ou impulsion à limite de transformation de Fourier. Le produit de son temps d'impulsion et de la bande passante en fréquence est une constante. Cette constante est appelée produit temps-bande passante (TBP). Les produits temps-bande passante des impulsions gaussiennes et sech² à bande passante limitée sont respectivement d'environ 0,441 et 0,315 ; sur cette base, la quantité de chirp d'impulsion réelle et la dispersion de retard de groupe accumulée peuvent également être calculées.
Par conséquent, une largeur d'impulsion plus étroite nécessite un spectre de Fourier plus large. Par exemple, la bande passante d'une impulsion de 10 fs doit être d'au moins de l'ordre de 30 THz, tandis que la bande passante d'une impulsion attoseconde doit être plus grande, et sa fréquence centrale doit être beaucoup plus élevée que toute fréquence de lumière visible.
|
1 ms (milliseconde) = 10−3 s |
1 ps (picoseconde) = 10−12 s |
|
1 μs (microseconde) = 10−6 s |
1 fs (femtoseconde) = 10−15 s |
|
1 ns (nanoseconde) = 10−9 s |
1 as (attoseconde) = 10−18 s |
Facteurs affectant la largeur d'impulsion
Alors que les impulsions de nanosecondes ou plus longues changent à peine de largeur en se propageant, même sur de longues distances, les impulsions ultracourtes peuvent être affectées par une variété de facteurs :
La dispersion chromatique peut provoquer un large élargissement des impulsions, mais la dispersion opposée peut être utilisée pour recomprimer. La figure ci-dessous montre le principe de fonctionnement du compresseur d'impulsions femtosecondes de Thorlabs pour compenser la dispersion du microscope.
La non-linéarité n'affecte généralement pas directement la largeur de l'impulsion, mais elle élargit la bande passante de conduction, rendant l'impulsion plus susceptible à la dispersion lors de la propagation.
Tout type de fibre optique (y compris d'autres milieux de gain à bande passante limitée) peut affecter la bande passante ou la forme des impulsions ultracourtes, et la réduction de la bande passante peut provoquer un élargissement temporel ; il existe également des cas où la largeur d'impulsion d'une impulsion fortement chirpée devient plus courte lorsque le spectre se rétrécit.