Den enklaste metoden för att generera laserpulser är att lägga till en modulator utanför den kontinuerliga lasern. Denna metod producerar pulser så snabbt som pikosekunder, vilket är enkelt men slösar bort optisk energi, och toppeffekten kan inte överstiga den kontinuerliga optiska effekten. Därför är en effektivare metod för att generera laserpulser intrakavitetsmodulering, där energin lagras vid avstängningstidpunkten för skuren och frigörs vid påslagningstiden.
De fyra vanliga teknikerna som används för att generera pulser genom modulering i laserkaviteten är förstärkningsväxling, Q-växling (förlustväxling), hålrumsinversion och modlåsning.
Förstärkningsväxling genererar korta pulser genom att modulera pumpeffekten. Till exempel kan diodförstärkningsomkopplade lasrar generera pulser inom intervallet några nanosekunder till hundra pikosekunder genom strömmodulering. Även om pulsenergin är låg är denna metod mycket flexibel, till exempel tillhandahåller avstämbar omfrekvens och pulsbredd. Forskare vid University of Tokyo rapporterade en femtosekundsförstärkningskopplad halvledarlaser 2018, vilket signalerade ett genombrott i en 40-års teknisk flaskhals.
Starka nanosekundpulser genereras vanligtvis av Q-switchade lasrar, där lasern sänds ut inom några få rundresor inuti kaviteten, med pulsenergier i intervallet några millijoule till några joule, beroende på storleken på systemet.
Måttlig energi (i allmänhet under 1 μJ) pikosekund- och femtosekundpulser genereras primärt av modlåsta lasrar, med en eller flera ultrakorta pulser närvarande i en kontinuerlig slinga i laserns resonanshålighet, med intrakavitetspulserna utsända en i taget genom utgången kopplingsspegel, och med en återfrekvens som i allmänhet ligger i intervallet 10 MHz till 100 GHz. Figuren nedan visar en all-normal dispersion (ANDi) dissipativ soliton femtosekund fiberlaseruppsättning, som kan byggas med en stor majoritet av Thorlabs standardkomponenter (fiber, lins, fäste och förskjutningssteg).
Kavitetsinversionstekniker kan användas både för Q-switchade lasrar för att erhålla kortare pulser och för modlåsta lasrar för att öka pulsenergin vid en lägre återfrekvens.
Tids- och frekvensdomänpulser
Den linjära formen av en puls över tiden är i allmänhet enkel och kan uttryckas som en Gauss- och sech²-funktion. Pulslängd (även känd som pulsbredd) uttrycks oftast som ett halvbredd-högmagnitud-värde (FWHM), dvs. bredden som sträcks av en optisk effekt på minst halva toppeffekten; korta nanosekunderspulser produceras av Q-omkopplade lasrar, och ultrakorta pulser (USP) på några tiotals pikosekunder till femtosekunder produceras av modlåsta lasrar. Höghastighetselektronik kan mäta bara några tiotals pikosekunder som snabbast, och kortare pulser kan bara mätas med hjälp av rent optiska tekniker som autokorrelatorer, GRODA och SPIDER.
Om pulsformen är känd, beräknas förhållandet mellan pulsenergi (Ep), toppeffekt (Pp) och pulsbredd (𝜏p) enligt följande ekvation:
där fs är en koefficient som är relaterad till pulsens form, som är ungefär {{0}},94 för Gausspulser och 0,88 för sech²-pulser men i allmänhet approximeras med 1.
Pulsens bandbredd kan uttryckas i termer av frekvens, våglängd eller vinkelfrekvens. Om bandbredden är liten, omvandlas våglängds- och frekvensbandbredderna med hjälp av följande ekvation, där λ och ν är centrumvåglängden respektive frekvensen, och Δλ och Δν är bandbredden i våglängd respektive frekvens.
Bandbreddsgränspuls
För en viss pulsform har pulsen den minsta spektrala bredden i frånvaro av chirp, vilket kallas den bandbreddsbegränsade eller Fourier-transformeringsbegränsade pulsen, där produkten av pulstiden och frekvensbandbredden är en konstant, vilket är kallas tidsbandbreddsprodukten (TBP). Produkten av pulstiden och frekvensbandbredden är en konstant som kallas tidsbandbreddsprodukten (TBP). Tidsbandbreddsprodukterna för de bandbreddsbegränsade Gauss- och sech²-pulserna är ungefär 0.441 respektive 0.315; pulsens faktiska pip och den kumulativa gruppfördröjningsdispersionen kan beräknas utifrån detta.
Därför kräver smalare pulsbredder bredare Fourier-spektra. Till exempel måste en 10 fs-puls ha en bandbredd av åtminstone storleksordningen 30 THz, medan en attosecond-puls har en ännu större bandbredd, och dess mittfrekvens måste ligga långt över alla synliga ljusfrekvenser.
Faktorer som påverkar pulsbredden
Medan nanosekundspulser eller längre pulser utbreder sig med liten eller ingen förändring i pulsbredd, även över långa avstånd, kan ultrakorta pulser påverkas av en mängd olika faktorer:
Kromatisk dispersion kan leda till stora pulsspridningar, även om de kan återkomprimeras med motsatt dispersion, som visas i diagrammet nedan, som illustrerar hur Thorlabs femtosekundpulskompressor fungerar för att kompensera för mikroskopspridning.
Icke-linjäriteter påverkar i allmänhet inte pulsbredden direkt, men de kan leda till bredare bandbredder och göra pulsen mer mottaglig för spridning vid fortplantning.
Alla typer av fiber (inklusive andra förstärkningsmedia med begränsad bandbredd) kan påverka bandbredden eller formen på den ultrakorta pulsen, och en minskning av bandbredden kan leda till tidsbreddning; det finns också fall där starkt kvittrade pulser har kortare pulsbredder när spektrumet smalnar av.
