Всестороннее понимание импульсных лазеров

Самый прямой способ генерации лазерных импульсов — это добавление модулятора, внешнего для непрерывного лазера. Этот метод может генерировать самые быстрые импульсы на уровне пикосекунд. Хотя он прост, он теряет световую энергию, и пиковая мощность не может превышать непрерывную оптическую мощность. Поэтому более эффективным методом генерации лазерных импульсов является внутрикavity модификация лазера, которая накапливает энергию в офф-режиме импульсного потока и высвобождает ее в он-режиме. Сравнение двух методов представлено ниже:

Четыре распространенные техники генерации импульсов через внутрикavity модификацию лазера — это переключение усиления, Q-переключение (потеря переключения), опустошение резонатора и режимная блокировка.

• Переключение усиления генерирует короткие импульсы, модулируя мощность насоса. Например, полупроводниковые лазеры с переключением усиления могут генерировать импульсы от нескольких наносекунд до сотен пикосекунд через модуляцию тока. Хотя энергия импульса низка, этот метод очень гибок, например, предоставляет регулируемую частоту повторения и ширину импульса. Исследователи Токийского университета сообщили о полупроводниковом лазере с переключением усиления на уровне фемтосекунд в 2018 году, что стало прорывом в 40-летнем техническом瓶颈е.

• Сильные наносекундные импульсы обычно генерируются Q-переключенными лазерами. Лазер излучается в течение нескольких круговых проходов внутри резонатора. Энергия импульса варьируется от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей, в зависимости от размера системы.

• Импульсы средней энергии (обычно ниже 1 μJ) на уровне пикосекунд и фемтосекунд в основном генерируются лазерами с режимной блокировкой. В резонаторе лазера непрерывно циркулирует один или несколько ультракоротких импульсов. Каждый внутрикavity импульс излучается через выходное соединительное зеркало. Импульс, частота повторения обычно составляет от 10 МГц до 100 ГГц. На рисунке ниже показано устройство фемтосекундного волоконного лазера с полностью нормальным дисперсионным (ANDi) диссипативным солитоном, большинство из которых можно построить с использованием стандартных компонентов Thorlabs (оптоволокно, линза, монтажная база и перемещающая платформа).

• Технология опустошения резонатора может использоваться не только для Q-переключенных лазеров для получения более коротких импульсов, но и для лазеров с режимной блокировкой для увеличения энергии импульса при более низких частотах повторения.

Импульсы во временной и частотной области

Линейная форма импульса, изменяющаяся со временем, обычно относительно проста и может быть представлена гауссовыми и sech² функциями. Время импульса (также называемое шириной импульса) чаще всего представляется значением половинной максимальной (FWHM), то есть шириной, охватываемой оптической мощностью, по крайней мере, половины пиковой мощности; короткие импульсы на уровне наносекунд генерируются Q-переключенными лазерами, а несколько наносекундных импульсов генерируются лазерами с режимной блокировкой. Ультракороткие импульсы (USP) от десяти пикосекунд до фемтосекунд. Высокоскоростная электроника может измерять только десятки пикосекунд в лучшем случае, а более короткие импульсы могут быть достигнуты только с помощью чисто оптических технологий, таких как автокорреляторы, FROG и SPIDER.

Если форма импульса известна, связь между энергией импульса (Ep), пиковой мощностью (Pp) и шириной импульса (𝜏p) рассчитывается по следующей формуле:

где fs — это коэффициент, связанный с формой импульса, который примерно равен 0,94 для гауссовых импульсов и примерно 0,88 для sech² импульсов, но обычно рассчитывается приблизительно как 1.

Ширина полосы импульса может быть выражена в частоте, длине волны или угловой частоте. Если ширина полосы мала, ширина полосы длины волны и частоты преобразуется с использованием следующей формулы, где λ и ν — это центральная длина волны и частота соответственно, а Δλ и Δν — это ширина полосы, выраженная в длине волны и частоте соответственно.

Ограничение ширины полосы импульса Для конкретной формы импульса ширина спектра импульса минимальна, когда нет хрипоты. В это время мы называем его ограничением ширины полосы или пределом преобразования Фурье. Произведение его времени импульса и ширины полосы частоты является постоянным. Эта константа называется временной. Продукт ширины полосы (TBP). Временные продукты ширины полосы для ограниченных по ширине гауссовых и sech² импульсов составляют примерно 0,441 и 0,315 соответственно; на основе этого также можно рассчитать фактическое количество хрипоты импульса и накопленную дисперсию групповой задержки.

Следовательно, более узкая ширина импульса требует более широкой спектра Фурье. Например, ширина полосы 10 фс импульса должна быть как минимум порядка 30 ТГц, в то время как ширина полосы импульса аттосекунд должна быть больше, и его центральная частота должна быть значительно выше любой частоты видимого света.

Факторы, влияющие на ширину импульса

В то время как импульсы на уровне наносекунд или длиннее едва изменяются в ширине по мере их распространения, даже на больших расстояниях, ультракороткие импульсы могут подвергаться воздействию различных факторов:

Хроматическая дисперсия может вызывать значительное расширение импульса, но противоположная дисперсия может быть использована для рекомпрессии. На рисунке ниже показан принцип работы компрессора импульсов Thorlabs для компенсации дисперсии микроскопа.

Нелинейность обычно не влияет напрямую на ширину импульса, но она расширяет полосу проводимости, делая импульс более восприимчивым к дисперсии во время распространения.

Любой тип оптоволокна (включая другие усилительные среды с ограниченной полосой) может повлиять на ширину полосы или форму ультракоротких импульсов, и уменьшение ширины полосы может вызвать временное расширение; также есть случаи, когда ширина импульса сильно хриплого импульса становится короче, когда спектр сужается.