Die einfachste Methode zur Erzeugung von Laserimpulsen besteht darin, einen Modulator außerhalb des kontinuierlichen Lasers hinzuzufügen. Diese Methode erzeugt Impulse mit einer Geschwindigkeit von bis zu Pikosekunden, was einfach ist, aber optische Energie verschwendet, und die Spitzenleistung kann die kontinuierliche optische Leistung nicht überschreiten. Eine effizientere Methode zur Erzeugung von Laserpulsen ist daher die Intracavity-Modulation, bei der die Energie zum Ausschaltzeitpunkt des Bursts gespeichert und zum Einschaltzeitpunkt wieder abgegeben wird.
Die vier gängigen Techniken zur Erzeugung von Impulsen durch Modulation innerhalb der Laserkavität sind Verstärkungsumschaltung, Güteschaltung (Verlustumschaltung), Hohlrauminversion und Modenkopplung.
Durch die Verstärkungsumschaltung werden kurze Impulse durch Modulation der Pumpleistung erzeugt. Diodenlaser mit Verstärkungsschaltung sind beispielsweise in der Lage, durch Strommodulation Impulse im Bereich von wenigen Nanosekunden bis zu hundert Pikosekunden zu erzeugen. Obwohl die Pulsenergie gering ist, ist diese Methode sehr flexibel und bietet beispielsweise eine einstellbare Neufrequenz und Pulsbreite. Forscher der Universität Tokio berichteten 2018 über einen verstärkungsgeschalteten Femtosekunden-Halbleiterlaser, der einen Durchbruch in einem 40-jährigen technologischen Engpass signalisierte.
Starke Nanosekundenimpulse werden typischerweise von gütegeschalteten Lasern erzeugt, wobei der Laser innerhalb weniger Umläufe innerhalb des Hohlraums emittiert wird, mit Impulsenergien im Bereich von einigen Millijoule bis zu einigen Joule, abhängig von der Größe des Systems.
Pikosekunden- und Femtosekundenimpulse mittlerer Energie (im Allgemeinen unter 1 μJ) werden hauptsächlich von modengekoppelten Lasern erzeugt, wobei ein oder mehrere ultrakurze Impulse in einer kontinuierlichen Schleife innerhalb des Laserresonanzhohlraums vorhanden sind und die resonatorinternen Impulse einzeln durch den Ausgang emittiert werden Koppelspiegel und mit einer Rückfrequenz, die im Allgemeinen im Bereich von 10 MHz bis 100 GHz liegt. Die folgende Abbildung zeigt einen dissipativen Soliton-Femtosekunden-Faserlaseraufbau mit normaler Dispersion (ANDi), der mit einem Großteil der Standardkomponenten von Thorlabs (Faser, Linse, Halterung und Verschiebungstisch) aufgebaut werden kann.
Hohlrauminversionstechniken können sowohl für gütegeschaltete Laser verwendet werden, um kürzere Pulse zu erhalten, als auch für modengekoppelte Laser, um die Pulsenergie bei einer niedrigeren Re-Frequenz zu erhöhen.
Impulse im Zeit- und Frequenzbereich
Die lineare Form eines Impulses über die Zeit ist im Allgemeinen einfach und kann als Gaußsche und sech²-Funktion ausgedrückt werden. Die Pulsdauer (auch Pulsbreite genannt) wird am häufigsten als Halbwertsbreite (FWHM) ausgedrückt, d. h. die Breite, die von einer optischen Leistung von mindestens der Hälfte der Spitzenleistung überspannt wird; Kurze Nanosekundenimpulse werden von gütegeschalteten Lasern erzeugt, und ultrakurze Impulse (USPs) von einigen zehn Pikosekunden bis Femtosekunden werden von modengekoppelten Lasern erzeugt. Hochgeschwindigkeitselektronik kann höchstens einige zehn Pikosekunden messen, und kürzere Impulse können nur mit Hilfe rein optischer Techniken wie Autokorrelatoren, FROGs und SPIDERs gemessen werden.
Wenn die Pulsform bekannt ist, wird die Beziehung zwischen Pulsenergie (Ep), Spitzenleistung (Pp) und Pulsbreite (𝜏p) gemäß der folgenden Gleichung berechnet:
Dabei ist fs ein Koeffizient, der sich auf die Form des Impulses bezieht und ungefähr {{0}},94 für Gaußsche Impulse und 0,88 für sech²-Impulse beträgt, im Allgemeinen aber durch 1 angenähert wird.
Die Bandbreite des Impulses kann als Frequenz, Wellenlänge oder Kreisfrequenz ausgedrückt werden. Wenn die Bandbreite klein ist, werden die Wellenlängen- und Frequenzbandbreiten mithilfe der folgenden Gleichung umgerechnet, wobei λ und ν die mittlere Wellenlänge bzw. Frequenz und Δλ und Δν die Bandbreite in Wellenlänge bzw. Frequenz sind.
Bandbreitengrenzimpuls
Für eine bestimmte Impulsform hat der Impuls die kleinste spektrale Breite ohne Chirp, was als bandbreitenbegrenzter oder durch Fouriertransformation begrenzter Impuls bezeichnet wird, wobei das Produkt aus Impulszeit und Frequenzbandbreite eine Konstante ist wird als Zeit-Bandbreiten-Produkt (TBP) bezeichnet. Das Produkt aus Pulszeit und Frequenzbandbreite ist eine Konstante, die als Zeit-Bandbreiten-Produkt (TBP) bezeichnet wird. Die Zeit-Bandbreiten-Produkte der bandbreitenbegrenzten Gaußschen und sech²-Impulse betragen etwa 0.441 bzw. 0.315; Daraus kann der tatsächliche Chirp des Pulses und die kumulative Gruppenverzögerungsdispersion berechnet werden.
Daher erfordern schmalere Pulsbreiten breitere Fourier-Spektren. Beispielsweise muss ein 10-fs-Puls eine Bandbreite von mindestens 30 THz haben, während ein Attosekundenpuls eine noch größere Bandbreite hat und seine Mittenfrequenz deutlich über jeder sichtbaren Lichtfrequenz liegen muss.
Faktoren, die die Impulsbreite beeinflussen
Während sich Nanosekunden- oder längere Impulse selbst über große Entfernungen mit geringer oder keiner Änderung der Impulsbreite ausbreiten, können ultrakurze Impulse durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden:
Chromatische Dispersion kann zu großen Pulsverbreiterungen führen, obwohl sie mit der entgegengesetzten Dispersion erneut komprimiert werden können, wie im Diagramm unten gezeigt, das die Funktionsweise des Thorlabs Femtosekunden-Pulskompressors zur Kompensation der Mikroskopdispersion veranschaulicht.
Nichtlinearitäten wirken sich im Allgemeinen nicht direkt auf die Impulsbreite aus, können aber zu größeren Bandbreiten führen und den Impuls anfälliger für Streuung bei der Ausbreitung machen.
Jede Art von Faser (einschließlich anderer Verstärkungsmedien mit begrenzter Bandbreite) kann die Bandbreite oder die Form des ultrakurzen Impulses beeinflussen, und eine Verringerung der Bandbreite kann zu einer Zeitverbreiterung führen; Es gibt auch Fälle, in denen stark gechirpte Impulse kürzere Impulsbreiten haben, wenn das Spektrum schmaler wird.
