ภาพรวมของเลเซอร์แบบพัลส์

ภาพรวมของเลเซอร์แบบพัลส์

วิธีที่ตรงที่สุดในการสร้างเลเซอร์พัลส์คือการเพิ่มตัวปรับสัญญาณที่ด้านนอกของเลเซอร์ต่อเนื่อง วิธีนี้สามารถสร้างพัลส์พิโควินาทีที่เร็วที่สุดได้ แม้จะง่าย แต่พลังงานแสงที่เสียไปและกำลังสูงสุดไม่สามารถเกินกำลังแสงต่อเนื่องได้ ดังนั้น วิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการสร้างพัลส์เลเซอร์คือการมอดูเลตในโพรงเลเซอร์ โดยเก็บพลังงานไว้ในช่วงนอกเวลาของชุดพัลส์และปล่อยพลังงานนั้นออกมาในช่วงเปิดเวลา เทคนิคทั่วไปสี่ประการที่ใช้ในการสร้างพัลส์ผ่านการมอดูเลตโพรงเลเซอร์ ได้แก่ การสลับเกน การสลับ Q (การสลับการสูญเสีย) การทำให้โพรงว่างเปล่า และการล็อกโหมด

สวิตช์เกนจะสร้างพัลส์สั้น ๆ โดยการปรับกำลังของปั๊ม ตัวอย่างเช่น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์เกนสามารถสร้างพัลส์ตั้งแต่ไม่กี่นาโนวินาทีไปจนถึงหนึ่งร้อยพิโควินาทีโดยการปรับกระแส แม้ว่าพลังงานของพัลส์จะต่ำ แต่วิธีนี้มีความยืดหยุ่นมาก เช่น การปรับความถี่การทำซ้ำและความกว้างของพัลส์ ในปี 2018 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวรายงานเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์เกนเฟมโตวินาที ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าในข้อจำกัดทางเทคนิคที่ยาวนานถึง 40 ปี

โดยทั่วไปแล้ว พัลส์นาโนวินาทีที่แรงจะถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ Q-switched ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาเป็นรอบหลายรอบในโพรง และพลังงานของพัลส์จะอยู่ในช่วงตั้งแต่หลายมิลลิจูลไปจนถึงหลายจูล ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ พัลส์พิโควินาทีและเฟมโตวินาทีที่มีพลังงานปานกลาง (โดยทั่วไปต่ำกว่า 1 μJ) ส่วนใหญ่จะถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ที่ล็อกโหมด มีพัลส์อัลตราสั้นหนึ่งพัลส์หรือมากกว่านั้นในเรโซเนเตอร์เลเซอร์ที่หมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง พัลส์ภายในโพรงแต่ละพัลส์จะส่งพัลส์ผ่านกระจกคัปปลิ้งเอาต์พุต และโดยทั่วไปแล้วความถี่จะอยู่ระหว่าง 10 MHz ถึง 100 GHz รูปด้านล่างแสดงโซลิตอนเฟมโตวินาทีที่กระจายตัวแบบปกติอย่างสมบูรณ์ (ANDi)อุปกรณ์ไฟเบอร์เลเซอร์ซึ่งส่วนใหญ่สามารถสร้างได้โดยใช้ส่วนประกอบมาตรฐานของ Thorlabs (ไฟเบอร์ เลนส์ ขาตั้ง และโต๊ะเคลื่อนย้าย)

เทคนิคการล้างโพรงฟันสามารถนำมาใช้ได้เลเซอร์ Q-switchedเพื่อให้ได้พัลส์ที่สั้นลงและเลเซอร์ที่ล็อคโหมดเพื่อเพิ่มพลังงานพัลส์ด้วยความถี่ที่ต่ำลง

พัลส์โดเมนเวลาและโดเมนความถี่
รูปร่างเชิงเส้นของพัลส์ตามเวลาโดยทั่วไปค่อนข้างเรียบง่ายและสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชัน Gaussian และ sech² เวลาของพัลส์ (เรียกอีกอย่างว่าความกว้างของพัลส์) มักแสดงด้วยค่าความกว้างครึ่งหนึ่งของความสูง (FWHM) นั่นคือความกว้างที่พลังงานแสงมีอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของพลังงานพีค เลเซอร์ Q-switched สร้างพัลส์สั้นนาโนวินาทีผ่าน
เลเซอร์แบบล็อคโหมดจะสร้างพัลส์สั้นพิเศษ (USP) ในระดับสิบพิโควินาทีถึงเฟมโตวินาที อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงสามารถวัดได้เพียงสิบพิโควินาทีเท่านั้น และพัลส์ที่สั้นกว่านี้สามารถวัดได้โดยใช้อุปกรณ์ออปติกเท่านั้น เช่น ตัวปรับสหสัมพันธ์อัตโนมัติ FROG และ SPIDER ในขณะที่พัลส์นาโนวินาทีหรือยาวกว่านั้นแทบจะไม่เปลี่ยนความกว้างของพัลส์เลยในขณะที่เคลื่อนที่ แม้จะเป็นระยะทางไกลก็ตาม พัลส์สั้นพิเศษอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ มากมาย:

การกระจายตัวอาจส่งผลให้เกิดการขยายพัลส์ขนาดใหญ่ แต่สามารถบีบอัดซ้ำด้วยการกระจายตัวแบบตรงกันข้ามได้ แผนภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าคอมเพรสเซอร์พัลส์เฟมโตวินาทีของ Thorlabs ชดเชยการกระจายตัวของกล้องจุลทรรศน์ได้อย่างไร

โดยทั่วไปความไม่เป็นเชิงเส้นจะไม่ส่งผลโดยตรงต่อความกว้างของพัลส์ แต่จะทำให้แบนด์วิดท์กว้างขึ้น ทำให้พัลส์ไวต่อการกระจายตัวมากขึ้นในระหว่างการแพร่กระจาย ไฟเบอร์ทุกประเภท รวมถึงสื่อขยายสัญญาณอื่นๆ ที่มีแบนด์วิดท์จำกัด อาจส่งผลต่อรูปร่างของแบนด์วิดท์หรือพัลส์อัลตราสั้น และการลดลงของแบนด์วิดท์อาจส่งผลให้แบนด์วิดท์ขยายกว้างขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป นอกจากนี้ ยังมีบางกรณีที่ความกว้างของพัลส์ของพัลส์ที่มีสัญญาณแหลมสูงจะสั้นลงเมื่อสเปกตรัมแคบลง