Najbolj enostavna metoda generiranja laserskih impulzov je dodajanje zunanjega modulatorja kontinuiranemu laserju. Ta metoda proizvaja impulze s hitrostjo pikosekund, kar je preprosto, vendar zapravlja optično energijo, konična moč pa ne more preseči neprekinjene optične moči. Zato je učinkovitejša metoda generiranja laserskih impulzov modulacija znotraj votline, kjer se energija shrani v času izklopa izbruha in sprosti ob času vklopa.
Štiri pogoste tehnike, ki se uporabljajo za ustvarjanje impulzov z modulacijo v laserski votlini, so preklapljanje ojačanja, Q-preklapljanje (preklapljanje izgub), inverzija votline in zaklepanje načina.
Preklapljanje ojačanja ustvarja kratke impulze z modulacijo moči črpalke. Na primer, diodni laserji s preklopom ojačanja so sposobni generirati impulze v območju od nekaj nanosekund do sto pikosekund s tokovno modulacijo. Čeprav je energija impulza nizka, je ta metoda zelo prilagodljiva, na primer zagotavlja nastavljivo ponovno frekvenco in širino impulza. Raziskovalci na Univerzi v Tokiu so leta 2018 poročali o femtosekundnem polprevodniškem laserju s preklopom ojačenja, kar nakazuje preboj v 40--letnem tehnološkem ozkem grlu.
Močne nanosekundne impulze običajno ustvarjajo laserji s preklopom Q, kjer se laser oddaja v nekaj povratnih vožnjah znotraj votline z energijami impulzov v območju od nekaj miljoulov do nekaj joulov, odvisno od velikosti sistema.
Pikosekundne in femtosekundne impulze z zmerno energijo (običajno pod 1 μJ) ustvarjajo predvsem načinno zaklenjeni laserji, pri čemer je eden ali več ultrakratkih impulzov prisotnih v neprekinjeni zanki znotraj resonančne votline laserja, pri čemer se impulzi znotraj votline oddajajo enega za drugim skozi izhod sklopitveno zrcalo in s ponovno frekvenco, ki je na splošno v območju od 10 MHz do 100 GHz. Spodnja slika prikazuje disipativno solitonsko femtosekundno optično lasersko postavitev s popolnoma normalno disperzijo (ANDi), ki jo je mogoče sestaviti z veliko večino Thorlabsovih standardnih komponent (vlakna, leča, nosilec in premična stopnja).
Tehnike inverzije votline se lahko uporabljajo za laserje s preklopom Q za pridobitev krajših impulzov in za laserje z zaklenjenim načinom za povečanje energije impulza pri nižji ponovni frekvenci.
Impulzi časovne in frekvenčne domene
Linearna oblika impulza skozi čas je na splošno preprosta in jo je mogoče izraziti kot Gaussovo in sech² funkcijo. Trajanje impulza (znano tudi kot širina impulza) je najpogosteje izraženo kot vrednost polovične širine visoke magnitude (FWHM), tj. širina, ki jo zajema optična moč vsaj polovice konične moči; kratke nanosekundne impulze proizvajajo laserji s preklopom Q, ultrakratke impulze (USP) od nekaj deset pikosekund do femtosekund pa laserji z zaklenjenim načinom. Hitra elektronika lahko najhitreje izmeri le nekaj deset pikosekund, krajše impulze pa le s pomočjo čisto optičnih tehnik, kot so avtokorelatorji, FROGs in SPIDER.
Če je oblika impulza znana, se razmerje med energijo impulza (Ep), največjo močjo (Pp) in širino impulza (𝜏p) izračuna v skladu z naslednjo enačbo:
kjer je fs koeficient, povezan z obliko impulza, ki je približno {{0}}.94 za Gaussove impulze in 0,88 za sech² impulze, vendar je na splošno približen z 1.
Pasovno širino impulza lahko izrazimo s frekvenco, valovno dolžino ali kotno frekvenco. Če je pasovna širina majhna, se pasovna širina valovne dolžine in frekvence pretvorita z naslednjo enačbo, kjer sta λ in ν središčna valovna dolžina oziroma frekvenca, Δλ in Δν pa pasovna širina valovne dolžine oziroma frekvence.
Impulz omejitve pasovne širine
Za določeno obliko impulza ima impulz najmanjšo spektralno širino v odsotnosti čirpanja, kar imenujemo impulz, omejen s pasovno širino ali Fourierovo transformacijo, kjer je produkt časa impulza in frekvenčne pasovne širine konstanta, kar je imenovan produkt časovne pasovne širine (TBP). Zmnožek časa impulza in pasovne širine frekvence je konstanta, imenovana produkt časovne pasovne širine (TBP). Produkti časovne pasovne širine pasovno omejenih Gaussovih in sech² impulzov so približno 0.441 oziroma 0.315; iz tega je mogoče izračunati dejanski čirp impulza in kumulativno disperzijo skupinske zakasnitve.
Zato ožje širine impulzov zahtevajo širše Fourierjeve spektre. Na primer, impulz z 10 fs mora imeti pasovno širino vsaj reda 30 THz, medtem ko ima atosekundni impulz še večjo pasovno širino, njegova središčna frekvenca pa mora biti precej nad katero koli frekvenco vidne svetlobe.
Dejavniki, ki vplivajo na širino impulza
Medtem ko se nanosekundni ali daljši impulzi širijo z malo ali brez spremembe širine impulza, tudi na velike razdalje, lahko na ultrakratke impulze vpliva vrsta dejavnikov:
Kromatična disperzija lahko povzroči velike razpršitve impulzov, čeprav jih je mogoče ponovno stisniti z nasprotno disperzijo, kot je prikazano na spodnjem diagramu, ki ponazarja delovanje femtosekundnega impulznega kompresorja Thorlabs za kompenzacijo disperzije mikroskopa.
Nelinearnosti na splošno ne vplivajo neposredno na širino impulza, lahko pa povzročijo širše pasovne širine in naredijo impulz bolj dovzeten za disperzijo pri širjenju.
Katera koli vrsta vlaken (vključno z drugimi ojačevalnimi mediji z omejeno pasovno širino) lahko vpliva na pasovno širino ali obliko ultrakratkega impulza, zmanjšanje pasovne širine pa lahko povzroči podaljšanje časa; obstajajo tudi primeri, ko imajo močno čirpani impulzi krajšo širino impulza, ko se spekter oži.
