ภาพรวมของเลเซอร์แบบพัลส์

ภาพรวมของเลเซอร์แบบพัลส์

วิธีที่ตรงที่สุดในการสร้างเลเซอร์การสร้างพัลส์เลเซอร์ทำได้โดยการเพิ่มตัวปรับสัญญาณ (modulator) ไว้ด้านนอกของเลเซอร์แบบต่อเนื่อง วิธีนี้สามารถสร้างพัลส์ระดับพิโควินาทีที่เร็วที่สุดได้ แม้จะเรียบง่าย แต่ก็สิ้นเปลืองพลังงานแสง และกำลังสูงสุดไม่สามารถเกินกำลังแสงแบบต่อเนื่องได้ ดังนั้น วิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการสร้างพัลส์เลเซอร์คือการปรับสัญญาณภายในโพรงเลเซอร์ โดยเก็บพลังงานไว้ในช่วงเวลาที่พัลส์หยุดทำงาน และปล่อยออกมาในช่วงเวลาที่ทำงาน เทคนิคทั่วไปสี่วิธีที่ใช้ในการสร้างพัลส์ผ่านการปรับสัญญาณในโพรงเลเซอร์ ได้แก่ การสลับอัตราขยาย (gain switching), การสลับค่า Q (Q-switching หรือ loss switching), การทำให้โพรงว่างเปล่า (cavity emptying) และการล็อกโหมด (mode-locking)

สวิตช์เกนสร้างพัลส์สั้นๆ โดยการปรับกำลังของแหล่งกำเนิดแสง ตัวอย่างเช่น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์เกนสามารถสร้างพัลส์ได้ตั้งแต่ไม่กี่นาโนวินาทีไปจนถึงหลายร้อยพิโควินาทีโดยการปรับกระแสไฟฟ้า แม้ว่าพลังงานของพัลส์จะต่ำ แต่วิธีนี้มีความยืดหยุ่นสูง เช่น สามารถปรับความถี่ในการทำซ้ำและความกว้างของพัลส์ได้ ในปี 2018 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้รายงานเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์เกนระดับเฟมโตวินาที ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการแก้ปัญหาคอขวดทางเทคนิคที่ยาวนานกว่า 40 ปี

พัลส์นาโนวินาทีที่แรงมักถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์แบบ Q-switched ซึ่งปล่อยคลื่นออกมาหลายรอบในโพรง และพลังงานของพัลส์อยู่ในช่วงหลายมิลลิจูลถึงหลายจูล ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ พัลส์พิโควินาทีและเฟมโตวินาทีที่มีพลังงานปานกลาง (โดยทั่วไปต่ำกว่า 1 μJ) ส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์แบบ mode-locked มีพัลส์อัลตร้าชอร์ตหนึ่งพัลส์หรือมากกว่าในเรโซเนเตอร์เลเซอร์ที่วนรอบอย่างต่อเนื่อง พัลส์ภายในโพรงแต่ละพัลส์จะส่งผ่านพัลส์ไปยังกระจกสะท้อนเอาต์พุต และความถี่โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 MHz ถึง 100 GHz รูปด้านล่างแสดงโซลิตอนแบบกระจายพลังงานแบบปกติสมบูรณ์ (ANDi) ในเฟมโตวินาทีอุปกรณ์เลเซอร์ไฟเบอร์ซึ่งส่วนใหญ่สามารถสร้างได้โดยใช้ส่วนประกอบมาตรฐานของ Thorlabs (ใยแก้วนำแสง เลนส์ ตัวยึด และแท่นเลื่อน)

เทคนิคการขจัดสิ่งอุดตันในโพรงฟันสามารถนำไปใช้ได้สำหรับเลเซอร์แบบ Q-switchedเพื่อให้ได้พัลส์ที่สั้นลงและเลเซอร์แบบล็อกโหมดเพื่อเพิ่มพลังงานพัลส์ด้วยความถี่ที่ต่ำลง

พัลส์ในโดเมนเวลาและโดเมนความถี่
รูปทรงเชิงเส้นของพัลส์เมื่อเทียบกับเวลาโดยทั่วไปค่อนข้างเรียบง่ายและสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันเกาส์เซียนและฟังก์ชัน sech² เวลาของพัลส์ (หรือที่เรียกว่าความกว้างของพัลส์) มักแสดงด้วยค่าความกว้างครึ่งความสูง (FWHM) ซึ่งก็คือความกว้างที่กำลังแสงมีค่าอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด เลเซอร์แบบ Q-switched สร้างพัลส์สั้นระดับนาโนวินาทีผ่าน
เลเซอร์แบบล็อกโหมดสร้างพัลส์สั้นพิเศษ (USP) ในช่วงเวลาตั้งแต่หลายสิบพิโควินาทีถึงเฟมโตวินาที อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงสามารถวัดได้สูงสุดเพียงหลายสิบพิโควินาทีเท่านั้น และพัลส์ที่สั้นกว่านั้นสามารถวัดได้ด้วยเทคโนโลยีทางแสงล้วนๆ เช่น ออโตคอร์เรเลเตอร์, FROG และ SPIDER ในขณะที่พัลส์ระดับนาโนวินาทีหรือนานกว่านั้นแทบจะไม่เปลี่ยนแปลงความกว้างของพัลส์ขณะเดินทาง แม้ในระยะทางไกล แต่พัลส์สั้นพิเศษอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ มากมาย:

การกระจายตัวอาจส่งผลให้พัลส์กว้างขึ้นอย่างมาก แต่สามารถบีบอัดกลับได้ด้วยการกระจายตัวในทิศทางตรงกันข้าม แผนภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าตัวบีบอัดพัลส์เฟมโตวินาทีของ Thorlabs ชดเชยการกระจายตัวของกล้องจุลทรรศน์ได้อย่างไร

โดยทั่วไปแล้ว ความไม่เป็นเชิงเส้นจะไม่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อความกว้างของพัลส์ แต่จะทำให้แบนด์วิดท์กว้างขึ้น ทำให้พัลส์มีแนวโน้มที่จะเกิดการกระจายตัวระหว่างการแพร่กระจายมากขึ้น เส้นใยทุกประเภท รวมถึงตัวกลางขยายสัญญาณอื่นๆ ที่มีแบนด์วิดท์จำกัด สามารถส่งผลต่อรูปร่างของแบนด์วิดท์หรือพัลส์อัลตร้าชอร์ตได้ และการลดลงของแบนด์วิดท์อาจนำไปสู่การขยายตัวในเวลา นอกจากนี้ยังมีกรณีที่ความกว้างของพัลส์ของพัลส์ที่มีการชิปอย่างรุนแรงจะสั้นลงเมื่อสเปกตรัมแคบลง