ภาพรวมของเลเซอร์แบบพัลส์

ภาพรวมของเลเซอร์แบบพัลส์

วิธีที่ตรงที่สุดในการสร้างเลเซอร์พัลส์คือการเพิ่มตัวปรับสัญญาณที่ด้านนอกของเลเซอร์แบบต่อเนื่อง วิธีการนี้สามารถสร้างพัลส์พิโคเซคันด์ที่เร็วที่สุด แม้จะง่าย แต่ก็สิ้นเปลืองพลังงานแสง และกำลังสูงสุดไม่สามารถเกินกำลังแสงต่อเนื่องได้ ดังนั้น วิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการสร้างพัลส์เลเซอร์คือการมอดูเลตในโพรงเลเซอร์ โดยเก็บพลังงานไว้ในช่วงนอกเวลาของพัลส์เทรน และปล่อยพลังงานออกมาในช่วงเปิดเวลา เทคนิคทั่วไปสี่อย่างที่ใช้ในการสร้างพัลส์ผ่านการปรับโพรงเลเซอร์ ได้แก่ การสลับเกน การสลับคิว (การสลับการสูญเสีย) การล้างโพรง และการล็อกโหมด

สวิตช์ปรับเกนจะสร้างพัลส์สั้นๆ โดยการปรับกำลังของปั๊ม ยกตัวอย่างเช่น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์ปรับเกนสามารถสร้างพัลส์ได้ตั้งแต่ไม่กี่นาโนวินาทีไปจนถึงหนึ่งร้อยพิโควินาทีโดยการปรับกระแส แม้ว่าพลังงานพัลส์จะต่ำ แต่วิธีนี้มีความยืดหยุ่นสูง เช่น สามารถปรับความถี่การทำซ้ำและความกว้างของพัลส์ได้ ในปี พ.ศ. 2561 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้รายงานเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์ปรับเกนเฟมโตวินาที ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการแก้ปัญหาคอขวดทางเทคนิคที่ยืดเยื้อมานาน 40 ปี

โดยทั่วไปแล้ว พัลส์นาโนวินาทีที่แรงจะถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ Q-switched ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาเป็นรอบหลายรอบในโพรง และพลังงานพัลส์อยู่ในช่วงหลายมิลลิจูลถึงหลายจูล ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ พัลส์พิโคเซคันด์และเฟมโตเซคันด์พลังงานปานกลาง (โดยทั่วไปต่ำกว่า 1 ไมโครจูล) ส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์แบบล็อกโหมด มีพัลส์อัลตราสั้นหนึ่งพัลส์หรือมากกว่าในเรโซเนเตอร์เลเซอร์ที่หมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง พัลส์ภายในโพรงแต่ละพัลส์จะส่งพัลส์ผ่านกระจกคัปปลิ้งเอาต์พุต และความถี่อ้างอิงโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 10 เมกะเฮิรตซ์ ถึง 100 กิกะเฮิรตซ์ รูปด้านล่างแสดงโซลิตอนเฟมโตเซคันด์แบบกระจายตัวปกติอย่างสมบูรณ์ (ANDi)อุปกรณ์เลเซอร์ไฟเบอร์ซึ่งส่วนใหญ่สามารถสร้างได้โดยใช้ส่วนประกอบมาตรฐานของ Thorlabs (ไฟเบอร์ เลนส์ ขาตั้ง และโต๊ะเคลื่อนที่)

เทคนิคการล้างโพรงฟันสามารถนำมาใช้ได้เลเซอร์ Q-switchedเพื่อให้ได้พัลส์ที่สั้นลงและเลเซอร์ที่ล็อคโหมดเพื่อเพิ่มพลังงานพัลส์ด้วยความถี่ที่ต่ำลง

พัลส์โดเมนเวลาและโดเมนความถี่
โดยทั่วไปแล้วรูปร่างเชิงเส้นของพัลส์ตามเวลาค่อนข้างเรียบง่าย และสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชัน Gaussian และ sech² เวลาของพัลส์ (หรือที่เรียกว่าความกว้างของพัลส์) มักแสดงด้วยค่าความกว้างครึ่งความสูง (FWHM) นั่นคือความกว้างที่พลังงานแสงมีอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด เลเซอร์ Q-switched สร้างพัลส์สั้นระดับนาโนวินาทีผ่าน
เลเซอร์แบบล็อกโหมดจะสร้างพัลส์สั้นพิเศษ (USP) ในระดับสิบพิโคเซคันด์ถึงเฟมโตเซคันด์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงสามารถวัดได้เพียงสิบพิโคเซคันด์เท่านั้น และพัลส์ที่สั้นกว่านั้นสามารถวัดได้ด้วยเทคโนโลยีออปติคัลล้วนๆ เช่น ออโตสคอร์เรเลเตอร์ FROG และ SPIDER แม้ว่าพัลส์ในระดับนาโนวินาทีหรือยาวกว่านั้นแทบจะไม่เปลี่ยนแปลงความกว้างของพัลส์ขณะเดินทาง แม้ในระยะทางไกล พัลส์สั้นพิเศษอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ:

การกระจายตัวสามารถส่งผลให้เกิดการขยายพัลส์ขนาดใหญ่ แต่สามารถบีบอัดซ้ำด้วยการกระจายตัวแบบตรงกันข้ามได้ แผนภาพต่อไปนี้แสดงวิธีที่เครื่องอัดพัลส์เฟมโตวินาทีของ Thorlabs ชดเชยการกระจายตัวของกล้องจุลทรรศน์

โดยทั่วไปแล้วความไม่เชิงเส้นจะไม่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อความกว้างของพัลส์ แต่จะทำให้แบนด์วิดท์กว้างขึ้น ทำให้พัลส์มีแนวโน้มที่จะกระจายตัวมากขึ้นในระหว่างการแพร่สัญญาณ เส้นใยแก้วทุกประเภท รวมถึงสื่อขยายสัญญาณอื่นๆ ที่มีแบนด์วิดท์จำกัด สามารถส่งผลกระทบต่อรูปร่างของแบนด์วิดท์หรือพัลส์สั้นพิเศษ และการลดลงของแบนด์วิดท์อาจนำไปสู่การขยายตัวของเวลา นอกจากนี้ ยังมีบางกรณีที่ความกว้างของพัลส์ของพัลส์ที่มีความถี่สูงจะสั้นลงเมื่อสเปกตรัมแคบลง