ภาพรวมของพัลซ์เลเซอร์

ภาพรวมของเลเซอร์พัลส์

วิธีสร้างที่ตรงที่สุดเลเซอร์พัลส์คือการเพิ่มโมดูเลเตอร์ที่ด้านนอกของเลเซอร์ต่อเนื่อง วิธีนี้สามารถผลิตพัลส์พิโควินาทีที่เร็วที่สุดได้ แม้จะง่าย แต่สิ้นเปลืองพลังงานแสงและพลังงานสูงสุดจะต้องไม่เกินพลังงานแสงต่อเนื่อง ดังนั้น วิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการสร้างพัลส์เลเซอร์คือการปรับในช่องเลเซอร์ โดยกักเก็บพลังงานในช่วงนอกเวลาของขบวนพัลส์ และปล่อยพลังงานออกมาตรงเวลา เทคนิคทั่วไปสี่เทคนิคที่ใช้ในการสร้างพัลส์ผ่านการมอดูเลตช่องเลเซอร์ ได้แก่ การสลับเกน, การสลับ Q (การสลับการสูญเสีย), การล้างช่อง และการล็อคโหมด

สวิตช์เกนจะสร้างพัลส์สั้นโดยการปรับกำลังของปั๊ม ตัวอย่างเช่น เลเซอร์สวิตช์เกนแบบเซมิคอนดักเตอร์สามารถสร้างพัลส์จากไม่กี่นาโนวินาทีถึงหนึ่งร้อยพิโควินาทีโดยการมอดูเลตปัจจุบัน แม้ว่าพลังงานพัลส์จะต่ำ แต่วิธีนี้มีความยืดหยุ่นมาก เช่น การปรับความถี่การทำซ้ำและความกว้างพัลส์ ในปี 2018 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวรายงานว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์เกนเฟมโตวินาที ซึ่งแสดงถึงความก้าวหน้าในคอขวดทางเทคนิคตลอด 40 ปี

โดยทั่วไปพัลส์นาโนวินาทีที่แข็งแกร่งจะถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์สวิตช์ Q ซึ่งถูกปล่อยออกมาในรอบหลายรอบในคาวิตี้ และพลังงานพัลส์อยู่ในช่วงหลายมิลลิจูลถึงหลายจูล ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ พลังงานปานกลาง (โดยทั่วไปต่ำกว่า 1 μJ) พัลส์พิโควินาทีและเฟมโตวินาทีถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ที่ล็อคโหมดเป็นหลัก มีพัลส์ที่สั้นเกินขีดหนึ่งหรือหลายพัลส์ในตัวสะท้อนคลื่นเลเซอร์ที่หมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง พัลส์ในโพรงอากาศแต่ละตัวจะส่งพัลส์ผ่านกระจกคัปปลิ้งเอาต์พุต และความถี่โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 10 MHz ถึง 100 GHz รูปด้านล่างแสดงการกระจายตัวของโซลิตันเฟมโตวินาทีแบบกระจายปกติโดยสมบูรณ์ (ANDi)อุปกรณ์ไฟเบอร์เลเซอร์ซึ่งส่วนใหญ่สามารถสร้างได้โดยใช้ส่วนประกอบมาตรฐานของ Thorlabs (ไฟเบอร์ เลนส์ ตัวยึด และโต๊ะเปลี่ยนตำแหน่ง)

สามารถใช้เทคนิคการล้างโพรงได้เลเซอร์สวิตช์ Qเพื่อให้ได้พัลส์ที่สั้นกว่าและเลเซอร์ที่ล็อคโหมดเพื่อเพิ่มพลังงานพัลส์ด้วยความถี่ที่ต่ำกว่า

พัลส์โดเมนเวลาและโดเมนความถี่
โดยทั่วไปรูปร่างเชิงเส้นของพัลส์ตามเวลาจะค่อนข้างง่ายและสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันเกาส์เซียนและเซคทู เวลาพัลส์ (หรือที่เรียกว่าความกว้างพัลส์) โดยทั่วไปจะแสดงด้วยค่าความกว้างครึ่งหนึ่งของความสูง (FWHM) ซึ่งก็คือความกว้างที่พลังงานแสงเป็นอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของพลังงานสูงสุด เลเซอร์สวิตช์ Q จะสร้างพัลส์สั้นระดับนาโนวินาทีผ่าน
เลเซอร์ที่ล็อคโหมดจะสร้างพัลส์สั้นพิเศษ (USP) ตามลำดับสิบพิโควินาทีถึงเฟมโตวินาที อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงสามารถวัดได้สูงสุดสิบพิโควินาทีเท่านั้น และพัลส์ที่สั้นกว่าสามารถวัดได้ด้วยเทคโนโลยีออพติคัลล้วนๆ เช่น ออโตคอร์เรเลเตอร์ กบ และสไปเดอร์ แม้ว่าพัลส์นาโนวินาทีหรือพัลส์ที่ยาวกว่านั้นแทบจะไม่เปลี่ยนความกว้างของพัลส์ในขณะที่มันเคลื่อนที่ แม้ว่าจะอยู่ในระยะทางไกลก็ตาม แต่พัลส์ที่สั้นมากอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ:

การกระจายตัวอาจส่งผลให้พัลส์ขยายกว้างขึ้น แต่สามารถบีบอัดใหม่ได้ด้วยการกระจายตัวที่ตรงกันข้าม แผนภาพต่อไปนี้แสดงวิธีที่คอมเพรสเซอร์พัลส์ femtosecond ของ Thorlabs ชดเชยการกระจายตัวของกล้องจุลทรรศน์

โดยทั่วไปความไม่เชิงเส้นไม่ส่งผลโดยตรงต่อความกว้างของพัลส์ แต่จะขยายแบนด์วิธให้กว้างขึ้น ทำให้พัลส์ไวต่อการกระจายตัวระหว่างการแพร่กระจายมากขึ้น ไฟเบอร์ชนิดใดก็ตาม รวมถึงสื่อรับสัญญาณอื่นๆ ที่มีแบนด์วิธจำกัด อาจส่งผลต่อรูปร่างของแบนด์วิดท์หรือพัลส์ที่สั้นเป็นพิเศษ และแบนด์วิดท์ที่ลดลงอาจนำไปสู่การขยายเวลาได้ นอกจากนี้ยังมีกรณีที่ความกว้างพัลส์ของพัลส์ที่ส่งเสียงร้องอย่างแรงจะสั้นลงเมื่อสเปกตรัมแคบลง