Nejpřímější metodou generování laserových pulzů je přidání externího modulátoru ke kontinuálnímu laseru. Tato metoda vytváří pulsy rychlé jako pikosekundy, což je jednoduché, ale plýtvá optickou energií a špičkový výkon nemůže překročit nepřetržitý optický výkon. Proto je účinnější metodou generování laserových pulsů intrakavitální modulace, kde se energie ukládá v době vypnutí výbuchu a uvolňuje se v době zapnutí.
Čtyři běžné techniky používané ke generování pulzů modulací v dutině laseru jsou přepínání zisku, Q-přepínání (ztrátové přepínání), inverze dutiny a zamykání režimu.
Přepínání zisku generuje krátké impulsy modulací výkonu čerpadla. Například diodové lasery s přepínáním zisku jsou schopny generovat pulzy v rozsahu několika nanosekund až sto pikosekund prostřednictvím proudové modulace. I když je energie pulzu nízká, tato metoda je velmi flexibilní, například poskytuje laditelnou refrekvenci a šířku pulzu. Výzkumníci z Tokijské univerzity ohlásili v roce 2018 femtosekundový polovodičový laser s přepínaným ziskem, což signalizuje průlom v 40-leté technologické překážce.
Silné nanosekundové pulsy jsou typicky generovány Q-spínanými lasery, kde je laser emitován během několika okružních jízd uvnitř dutiny, s energií pulsů v rozsahu několika milijoulů až několika joulů, v závislosti na velikosti systému.
Pikosekundové a femtosekundové pulsy střední energie (obecně pod 1 μJ) jsou generovány primárně lasery s uzamčeným režimem, s jedním nebo více ultrakrátkými pulsy přítomnými v nepřetržité smyčce v laserové rezonanční dutině, přičemž pulsy v dutině jsou vysílány jeden po druhém přes výstup vazební zrcadlo a s refrekvencí, která je obecně v rozsahu 10 MHz až 100 GHz. Níže uvedený obrázek ukazuje zcela normální disperzní (ANDi) disipativní solitonové femtosekundové vláknové laserové uspořádání, které lze sestavit s velkou většinou standardních komponent Thorlabs (vlákno, čočka, držák a posuvný stupeň).
Techniky inverze dutiny mohou být použity jak pro Q-spínané lasery pro získání kratších pulzů, tak pro lasery s uzamčeným režimem pro zvýšení energie pulzu při nižší refrekvenci.
Pulsy v časové a frekvenční doméně
Lineární tvar pulsu v průběhu času je obecně jednoduchý a může být vyjádřen jako Gaussova a sech² funkce. Doba trvání pulsu (také známá jako šířka pulsu) je nejčastěji vyjádřena jako hodnota poloviční šířky-vysoké velikosti (FWHM), tj. šířka překlenutá optickým výkonem alespoň poloviny špičkového výkonu; krátké nanosekundové pulsy jsou produkovány Q-switched lasery a ultrakrátké pulsy (USP) o délce několika desítek pikosekund až femtosekund jsou produkovány lasery s uzamčeným režimem. Vysokorychlostní elektronika dokáže změřit nejrychleji jen několik desítek pikosekund a kratší pulzy lze měřit pouze pomocí čistě optických technik, jako jsou autokorelátory, FROGs a SPIDERs.
Pokud je znám tvar pulzu, vztah mezi energií pulzu (Ep), špičkovým výkonem (Pp) a šířkou pulzu (𝜏p) se vypočítá podle následující rovnice:
kde fs je koeficient související s tvarem pulzu, který je přibližně {{0}},94 pro gaussovské pulzy a 0,88 pro sech² pulzy, ale obecně je aproximován 1.
Šířka pásma pulzu může být vyjádřena jako frekvence, vlnová délka nebo úhlová frekvence. Pokud je šířka pásma malá, vlnová délka a frekvenční šířka pásma se převedou pomocí následující rovnice, kde λ a ν jsou střední vlnová délka a frekvence, v tomto pořadí, a Δλ a Δν jsou šířka pásma ve vlnové délce a frekvenci.
Impuls omezení šířky pásma
Pro konkrétní tvar pulsu má puls nejmenší spektrální šířku v nepřítomnosti cvrlikání, což se nazývá puls s omezením šířky pásma nebo puls s omezením Fourierovy transformace, kde součin času pulsu a šířky frekvenčního pásma je konstanta, která je nazývaný produkt časové šířky pásma (TBP). Součin času pulzu a šířky frekvenčního pásma je konstanta nazývaná součin časové šířky pásma (TBP). Součin časové šířky pásma gaussovských a sech² pulsů s omezenou šířkou pásma je přibližně 0.441, respektive 0.315; z toho lze vypočítat skutečné cvrlikání pulzu a kumulativní rozptyl skupinového zpoždění.
Proto užší šířky pulzu vyžadují širší Fourierova spektra. Například 10 fs puls musí mít šířku pásma alespoň řádově 30 THz, zatímco attosekundový puls má ještě větší šířku pásma a jeho střední frekvence musí být výrazně nad frekvencí viditelného světla.
Faktory ovlivňující šířku pulzu
Zatímco nanosekundové nebo delší pulzy se šíří s malou nebo žádnou změnou šířky pulzu, a to i na velké vzdálenosti, ultrakrátké pulzy mohou být ovlivněny řadou faktorů:
Chromatická disperze může vést k velkým pulzním rozptylům, i když je lze rekomprimovat opačnou disperzí, jak je znázorněno na níže uvedeném diagramu, který ilustruje fungování Thorlabs Femtosecond Pulse Compressor pro kompenzaci rozptylu mikroskopu.
Nelinearity obecně neovlivňují přímo šířku pulsu, ale mohou vést k širší šířce pásma a učinit puls náchylnější k rozptylu při šíření.
Jakýkoli typ vlákna (včetně jiných médií pro zisk s omezenou šířkou pásma) může ovlivnit šířku pásma nebo tvar ultrakrátkého pulzu a snížení šířky pásma může vést k prodloužení času; existují i případy, kdy silně cvrlikavé pulsy mají při zužování spektra kratší šířky pulsů.
