Επισκόπηση των παλμικών λέιζερ

Επισκόπηση τουπαλμικά λέιζερ

Ο πιο άμεσος τρόπος δημιουργίαςλέιζερπαλμοί είναι η προσθήκη ενός διαμορφωτή στο εξωτερικό του συνεχούς λέιζερ. Αυτή η μέθοδος μπορεί να παράγει τον ταχύτερο παλμό picosecond, αν και απλός, αλλά η σπατάλη φωτεινής ενέργειας και η μέγιστη ισχύς δεν μπορούν να υπερβαίνουν τη συνεχή ισχύ φωτός. Ως εκ τούτου, ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη δημιουργία παλμών λέιζερ είναι η διαμόρφωση στην κοιλότητα του λέιζερ, αποθηκεύοντας ενέργεια σε χρόνο εκτός λειτουργίας του παλμού και απελευθερώνοντάς την στο χρόνο. Οι τέσσερις κοινές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία παλμών μέσω της διαμόρφωσης κοιλότητας λέιζερ είναι η μεταγωγή απολαβής, η μεταγωγή Q (εναλλαγή απώλειας), το άδειασμα κοιλότητας και το κλείδωμα λειτουργίας.

Ο διακόπτης απολαβής παράγει βραχείς παλμούς διαμορφώνοντας την ισχύ της αντλίας. Για παράδειγμα, τα λέιζερ με μεταγωγή απολαβής ημιαγωγών μπορούν να παράγουν παλμούς από μερικά νανοδευτερόλεπτα έως εκατό picosecond με την τρέχουσα διαμόρφωση. Αν και η ενέργεια του παλμού είναι χαμηλή, αυτή η μέθοδος είναι πολύ ευέλικτη, όπως η παροχή ρυθμιζόμενης συχνότητας επανάληψης και πλάτους παλμού. Το 2018, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο ανέφεραν ένα λέιζερ ημιαγωγών με διακόπτη κέρδους femtosecond, που αντιπροσωπεύει μια σημαντική ανακάλυψη σε μια τεχνική συμφόρηση 40 ετών.

Ισχυροί παλμοί νανοδευτερόλεπτου παράγονται γενικά από λέιζερ με μεταγωγή Q, τα οποία εκπέμπονται σε πολλές κυκλικές διαδρομές στην κοιλότητα και η ενέργεια του παλμού κυμαίνεται από πολλά χιλιοστά του δευτερολέπτου έως πολλά τζάουλ, ανάλογα με το μέγεθος του συστήματος. Οι παλμοί μεσαίας ενέργειας (γενικά κάτω από 1 μJ) του picosecond και του femtosecond παράγονται κυρίως από λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας. Υπάρχουν ένας ή περισσότεροι υπερμικροί παλμοί στον συντονιστή λέιζερ που κυκλώνουν συνεχώς. Κάθε παλμός ενδοκοιλότητας μεταδίδει έναν παλμό μέσω του κατόπτρου σύζευξης εξόδου και η συχνότητα είναι γενικά μεταξύ 10 MHz και 100 GHz. Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια πλήρως κανονική διασπορά (ANDi) διασκορπιστικό σολιτόνιο femtosecondσυσκευή λέιζερ ινών, τα περισσότερα από τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τυπικά εξαρτήματα Thorlabs (ίνα, φακός, βάση στήριξης και πίνακας μετατόπισης).

Η τεχνική εκκένωσης κοιλότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί γιαΛέιζερ με μεταγωγή Qγια να αποκτήσετε μικρότερους παλμούς και λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας για να αυξήσετε την ενέργεια παλμού με χαμηλότερη συχνότητα.

Παλμοί τομέα χρόνου και συχνότητας
Το γραμμικό σχήμα του παλμού με το χρόνο είναι γενικά σχετικά απλό και μπορεί να εκφραστεί με συναρτήσεις Gaussian και sech². Ο χρόνος παλμού (γνωστός και ως πλάτος παλμού) εκφράζεται πιο συχνά από την τιμή πλάτους μισού ύψους (FWHM), δηλαδή το πλάτος κατά μήκος του οποίου η οπτική ισχύς είναι τουλάχιστον η μισή της μέγιστης ισχύος. Το λέιζερ με μεταγωγή Q δημιουργεί σύντομους παλμούς νανοδευτερόλεπτου
Τα λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία παράγουν εξαιρετικά βραχείς παλμούς (USP) της τάξης των δεκάδων picoseconds έως femtoseconds. Τα ηλεκτρονικά υψηλής ταχύτητας μπορούν να μετρηθούν μόνο έως και δεκάδες picoseconds και οι μικρότεροι παλμοί μπορούν να μετρηθούν μόνο με καθαρά οπτικές τεχνολογίες όπως οι αυτοσυσχετιστές, το FROG και το SPIDER. Ενώ οι παλμοί νανοδευτερόλεπτων ή μεγαλύτεροι δεν αλλάζουν σχεδόν το πλάτος του παλμού τους καθώς ταξιδεύουν, ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις, οι εξαιρετικά σύντομοι παλμοί μπορούν να επηρεαστούν από διάφορους παράγοντες:

Η διασπορά μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλη διεύρυνση του παλμού, αλλά μπορεί να επανασυμπιεστεί με την αντίθετη διασπορά. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει πώς ο παλμικός συμπιεστής femtosecond της Thorlabs αντισταθμίζει τη διασπορά του μικροσκοπίου.

Η μη γραμμικότητα γενικά δεν επηρεάζει άμεσα το πλάτος του παλμού, αλλά διευρύνει το εύρος ζώνης, καθιστώντας τον παλμό πιο ευαίσθητο στη διασπορά κατά τη διάδοση. Οποιοσδήποτε τύπος ίνας, συμπεριλαμβανομένων άλλων μέσων απολαβής με περιορισμένο εύρος ζώνης, μπορεί να επηρεάσει το σχήμα του εύρους ζώνης ή τον εξαιρετικά βραχύ παλμό και η μείωση του εύρους ζώνης μπορεί να οδηγήσει σε διεύρυνση του χρόνου. Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις όπου το πλάτος παλμού του έντονα κελαηδισμένου παλμού γίνεται μικρότερο όταν το φάσμα γίνεται στενότερο.