Lazer darbeleri üretmenin en basit yöntemi, sürekli lazere harici bir modülatör eklemektir. Bu yöntem pikosaniye kadar hızlı darbeler üretir; bu basit bir işlemdir ancak optik enerjiyi boşa harcar ve tepe gücü sürekli optik gücü aşamaz. Bu nedenle, lazer darbeleri üretmenin daha verimli bir yöntemi, enerjinin patlamanın kapalı olduğu zamanda depolandığı ve açık zamanında serbest bırakıldığı boşluk içi modülasyondur.
Lazer boşluğu içinde modülasyon yoluyla darbe üretmek için kullanılan dört yaygın teknik, kazanç değiştirme, Q-anahtarlama (kayıp anahtarlama), kavite ters çevirme ve mod kilitlemedir.
Kazanç değiştirme, pompa gücünü modüle ederek kısa darbeler üretir. Örneğin, diyot kazanç anahtarlamalı lazerler, akım modülasyonu yoluyla birkaç nanosaniyeden yüz pikosaniyeye kadar aralıkta darbeler üretme kapasitesine sahiptir. Darbe enerjisi düşük olmasına rağmen bu yöntem çok esnektir; örneğin ayarlanabilir yeniden frekans ve darbe genişliği sağlar. Tokyo Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, 2018'de femtosaniyelik kazanç anahtarlamalı bir yarı iletken lazerin 40-yıllık teknolojik darboğazda bir atılımın sinyalini verdiğini bildirdi.
Güçlü nanosaniye darbeleri tipik olarak Q-anahtarlı lazerler tarafından üretilir; burada lazer, sistemin boyutuna bağlı olarak birkaç milijul ila birkaç jul aralığında darbe enerjileri ile boşluk içinde birkaç gidiş dönüş içinde yayılır.
Orta enerjili (genellikle 1 μJ'nin altında) pikosaniye ve femtosaniye darbeleri, öncelikle mod kilitli lazerler tarafından üretilir; lazer rezonans boşluğu içinde sürekli bir döngüde bir veya daha fazla ultra kısa darbe bulunur ve boşluk içi darbeler, çıkıştan birer birer yayılır. birleştirme aynası ve genellikle 10 MHz ila 100 GHz aralığında bir yeniden frekansa sahiptir. Aşağıdaki şekil, Thorlabs'ın standart bileşenlerinin (fiber, lens, montaj ve yer değiştirme aşaması) büyük çoğunluğuyla oluşturulabilen tamamen normal dağılımlı (ANDi) enerji tüketen soliton femtosaniye fiber lazer kurulumunu göstermektedir.
Kavite inversiyon teknikleri, hem Q-anahtarlı lazerler için daha kısa darbeler elde etmek için hem de mod kilitli lazerler için darbe enerjisini daha düşük bir yeniden frekansta arttırmak için kullanılabilir.
Zaman ve Frekans Alanı Darbeleri
Bir darbenin zaman içindeki doğrusal şekli genellikle basittir ve Gauss ve sech² fonksiyonu olarak ifade edilebilir. Darbe süresi (darbe genişliği olarak da bilinir) çoğunlukla yarı genişlik-yüksek büyüklük (FWHM) değeri, yani tepe gücünün en az yarısı kadar bir optik gücün kapsadığı genişlik olarak ifade edilir; kısa nanosaniye darbeleri Q-anahtarlı lazerler tarafından üretilir ve birkaç on pikosaniyeden femtosaniyeye kadar ultra kısa darbeler (USP'ler) mod kilitli lazerler tarafından üretilir. Yüksek hızlı elektronikler en hızlı şekilde yalnızca birkaç on pikosaniyeyi ölçebilir ve daha kısa darbeler yalnızca otokorelatörler, KURBAĞALAR ve ÖRÜMCEKLER gibi tamamen optik tekniklerin yardımıyla ölçülebilir.
Darbe şekli biliniyorsa darbe enerjisi (Ep), tepe gücü (Pp) ve darbe genişliği (𝜏p) arasındaki ilişki aşağıdaki denkleme göre hesaplanır:
burada fs, darbenin şekliyle ilgili bir katsayıdır; Gauss darbeleri için yaklaşık {{0}},94 ve sech² darbeleri için 0,88'dir ancak genellikle 1'e yaklaşılır.
Darbenin bant genişliği frekans, dalga boyu veya açısal frekans cinsinden ifade edilebilir. Bant genişliği küçükse, dalga boyu ve frekans bant genişlikleri aşağıdaki denklem kullanılarak dönüştürülür; burada λ ve ν sırasıyla merkez dalga boyu ve frekanstır ve Δλ ve Δν sırasıyla dalga boyu ve frekanstaki bant genişliğidir.
Bant Genişliği Limiti Darbesi
Belirli bir darbe şekli için darbe, cıvıltı yokluğunda en küçük spektral genişliğe sahiptir; buna bant genişliği sınırlı veya Fourier dönüşümüyle sınırlı darbe adı verilir; burada darbe süresi ve frekans bant genişliğinin çarpımı bir sabittir; zaman-bant genişliği çarpımı (TBP) olarak adlandırılır. Darbe süresi ve frekans bant genişliğinin çarpımı, zaman bant genişliği çarpımı (TBP) olarak adlandırılan bir sabittir. Bant genişliği sınırlı Gauss ve sech² darbelerinin zaman-bant genişliği çarpımları sırasıyla yaklaşık 0.441 ve 0.315'tir; darbenin gerçek cıvıltısı ve kümülatif grup gecikmesi dağılımı bundan hesaplanabilir.
Bu nedenle, daha dar darbe genişlikleri daha geniş Fourier spektrumları gerektirir. Örneğin, 10 fs'lik bir darbe en az 30 THz düzeyinde bir bant genişliğine sahip olmalı, attosaniyelik bir darbe ise daha da büyük bir bant genişliğine sahip olmalı ve merkez frekansı herhangi bir görünür ışık frekansının oldukça üzerinde olmalıdır.
Darbe genişliğini etkileyen faktörler
Nanosaniye veya daha uzun darbeler, uzun mesafelerde bile darbe genişliğinde çok az değişiklikle veya hiç değişiklik olmadan yayılırken, ultra kısa darbeler çeşitli faktörlerden etkilenebilir:
Kromatik dağılım, büyük darbe yayılımlarına yol açabilir, ancak bunlar, Thorlabs Femtosaniye Darbe Kompresörünün mikroskop dağılımını telafi etmek için çalışmasını gösteren aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi, zıt dağılımla yeniden sıkıştırılabilir.
Doğrusal olmayan durumlar genellikle darbe genişliğini doğrudan etkilemez, ancak daha geniş bant genişliklerine yol açabilir ve darbenin yayılma sırasındaki dağılıma karşı daha duyarlı olmasını sağlayabilir.
Herhangi bir fiber türü (sınırlı bant genişliğine sahip diğer kazanç ortamları dahil) bant genişliğini veya ultra kısa darbenin şeklini etkileyebilir ve bant genişliğindeki bir azalma, zamanın genişlemesine yol açabilir; Spektrum daraldıkça güçlü bir şekilde cıvıldayan darbelerin daha kısa darbe genişliklerine sahip olduğu durumlar da vardır.
