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 πικοδευτερολέπτου, αν και απλή, αλλά σπαταλά φωτεινή ενέργεια και η μέγιστη ισχύς δεν μπορεί να υπερβεί τη συνεχή φωτεινή ισχύ. Επομένως, ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη δημιουργία παλμών λέιζερ είναι η διαμόρφωση στην κοιλότητα του λέιζερ, αποθηκεύοντας ενέργεια κατά τον χρόνο απενεργοποίησης της παλμοσειράς και απελευθερώνοντάς την κατά τον χρόνο ενεργοποίησης. Οι τέσσερις συνήθεις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία παλμών μέσω διαμόρφωσης κοιλότητας λέιζερ είναι η εναλλαγή κέρδους, η εναλλαγή Q (εναλλαγή απώλειας), η εκκένωση κοιλότητας και το κλείδωμα λειτουργίας.

Ο διακόπτης κέρδους παράγει σύντομους παλμούς διαμορφώνοντας την ισχύ της αντλίας. Για παράδειγμα, τα λέιζερ ημιαγωγών με μεταγωγή κέρδους μπορούν να δημιουργήσουν παλμούς από μερικά νανοδευτερόλεπτα έως εκατό πικοδευτερόλεπτα μέσω διαμόρφωσης ρεύματος. Αν και η ενέργεια 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 μεταγωγή κέρδους φεμτοδευτερόλεπτων, που αντιπροσωπεύει μια σημαντική ανακάλυψη σε ένα τεχνικό πρόβλημα συμφόρησης 40 ετών.

Ισχυροί παλμοί νανοδευτερολέπτων παράγονται γενικά από λέιζερ με Q-switch, τα οποία εκπέμπονται σε αρκετές κυκλικές διαδρομές στην κοιλότητα, και η ενέργεια παλμού κυμαίνεται από αρκετά millijoules έως αρκετά joules, ανάλογα με το μέγεθος του συστήματος. Οι παλμοί μέσης ενέργειας (γενικά κάτω από 1 μJ) picosecond και femtosecond παράγονται κυρίως από λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία. Υπάρχουν ένας ή περισσότεροι υπερβραχείς παλμοί στον συντονιστή λέιζερ που κάνουν συνεχή κύκλο. Κάθε παλμός εντός της κοιλότητας μεταδίδει έναν παλμό μέσω του κατόπτρου σύζευξης εξόδου, και η επανασυχνότητα είναι γενικά μεταξύ 10 MHz και 100 GHz. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα πλήρως κανονικής διασποράς (ANDi) διασποράς soliton femtosecond.συσκευή λέιζερ οπτικών ινών, τα περισσότερα από τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τα τυπικά εξαρτήματα της Thorlabs (ίνα, φακός, βάση και τραπέζι μετατόπισης).

Η τεχνική εκκένωσης κοιλοτήτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί γιαΛέιζερ με Q-switchγια την απόκτηση βραχύτερων παλμών και λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία για την αύξηση της ενέργειας παλμού με χαμηλότερη επανασυχνότητα.

Παλμοί στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας
Το γραμμικό σχήμα του παλμού ως προς τον χρόνο είναι γενικά σχετικά απλό και μπορεί να εκφραστεί με συναρτήσεις Gauss και sech². Ο χρόνος παλμού (γνωστός και ως πλάτος παλμού) εκφράζεται συνήθως με την τιμή μισού ύψους πλάτους (FWHM), δηλαδή το πλάτος στο οποίο η οπτική ισχύς είναι τουλάχιστον η μισή από τη μέγιστη ισχύ. Το λέιζερ με Q-switch παράγει σύντομους παλμούς διάρκειας νανοδευτερολέπτων μέσω
Τα λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία παράγουν εξαιρετικά σύντομους παλμούς (USP) της τάξης των δεκάδων πικοδευτερολέπτων έως φεμτοδευτερολέπτων. Τα ηλεκτρονικά υψηλής ταχύτητας μπορούν να μετρήσουν μόνο έως δεκάδες πικοδευτερολέπτων, και οι μικρότεροι παλμοί μπορούν να μετρηθούν μόνο με καθαρά οπτικές τεχνολογίες όπως οι αυτοσυσχετιστές, FROG και SPIDER. Ενώ οι παλμοί νανοδευτερολέπτων ή μεγαλύτεροι σε διάρκεια αλλάζουν ελάχιστα το πλάτος του παλμού τους καθώς ταξιδεύουν, ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις, οι εξαιρετικά σύντομοι παλμοί μπορούν να επηρεαστούν από μια ποικιλία παραγόντων:

Η διασπορά μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλη διεύρυνση του παλμού, αλλά μπορεί να επανασυμπιεστεί με την αντίθετη διασπορά. Το ακόλουθο διάγραμμα δείχνει πώς ο συμπιεστής παλμών 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 ευάλωτο στη διασπορά κατά τη διάδοση. Οποιοσδήποτε τύπος οπτικής ίνας, συμπεριλαμβανομένων άλλων μέσων κέρδους με περιορισμένο εύρος ζώνης, μπορεί να επηρεάσει το σχήμα του εύρους ζώνης ή του εξαιρετικά βραχέος παλμού, και η μείωση του εύρους ζώνης μπορεί να οδηγήσει σε διεύρυνση του χρόνου. Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις όπου το πλάτος παλμού του έντονα τσιριχτού παλμού γίνεται μικρότερο όταν το φάσμα γίνεται στενότερο.