Най-простият метод за генериране на лазерни импулси е добавянето на модулатор, външен към непрекъснатия лазер. Този метод произвежда импулси толкова бързи, колкото пикосекунди, което е просто, но губи оптична енергия и пиковата мощност не може да надвишава непрекъснатата оптична мощност. Следователно, по-ефективен метод за генериране на лазерни импулси е интракавиталната модулация, при която енергията се съхранява в момента на изключване на импулса и се освобождава в момента на включване.
Четирите общи техники, използвани за генериране на импулси чрез модулация в рамките на лазерната кухина, са превключване на усилването, Q-превключване (превключване на загуба), инверсия на кухината и заключване на режима.
Превключването на усилването генерира кратки импулси чрез модулиране на мощността на помпата. Например диодните лазери с превключване на усилването са способни да генерират импулси в диапазона от няколко наносекунди до сто пикосекунди чрез токова модулация. Въпреки че енергията на импулса е ниска, този метод е много гъвкав, например осигурява регулируема повторна честота и ширина на импулса. Изследователи от Токийския университет съобщиха за фемтосекунден полупроводников лазер с превключване на усилването през 2018 г., сигнализирайки за пробив в 40--годишно технологично затруднение.
Силните наносекундни импулси обикновено се генерират от лазери с Q-превключване, където лазерът се излъчва в рамките на няколко обиколки вътре в кухината, с енергия на импулса в диапазона от няколко милиджаула до няколко джаула, в зависимост от размера на системата.
Пикосекундни и фемтосекундни импулси с умерена енергия (обикновено под 1 μJ) се генерират основно от лазери със заключен режим, като един или повече ултракъси импулси присъстват в непрекъсната верига в резонансната кухина на лазера, като импулсите във вътрешността на кухината се излъчват един по един през изхода огледало за свързване и с повторна честота, която обикновено е в диапазона от 10 MHz до 100 GHz. Фигурата по-долу показва напълно нормална дисперсия (ANDi) дисипативна солитонова фемтосекундна фибровлакнеста лазерна настройка, която може да бъде изградена с голяма част от стандартните компоненти на Thorlabs (влакна, лещи, монтиране и степен на изместване).
Техниките за инверсия на кухината могат да се използват както за лазери с Q-превключване за получаване на по-къси импулси, така и за лазери със заключен режим за увеличаване на импулсната енергия при по-ниска повторна честота.
Времеви и честотни импулси
Линейната форма на импулса във времето обикновено е проста и може да се изрази като функция на Гаус и sech². Продължителността на импулса (известна също като ширина на импулса) най-често се изразява като стойност на половин ширина с висока величина (FWHM), т.е. ширината, обхваната от оптична мощност от поне половината от пиковата мощност; късите наносекундни импулси се произвеждат от лазери с Q-превключване, а ултракъсите импулси (USP) от няколко десетки пикосекунди до фемтосекунди се произвеждат от лазери със заключен режим. Високоскоростната електроника може да измерва най-бързо само няколко десетки пикосекунди, а по-късите импулси могат да бъдат измерени само с помощта на чисто оптични техники като автокорелатори, ЖАБИ и ПАЯЦИ.
Ако формата на импулса е известна, връзката между енергията на импулса (Ep), пиковата мощност (Pp) и ширината на импулса (𝜏p) се изчислява съгласно следното уравнение:
където fs е коефициент, свързан с формата на импулса, който е приблизително {{0}}.94 за импулси на Гаус и 0,88 за импулси на sech², но обикновено се приближава до 1.
Ширината на честотната лента на импулса може да бъде изразена като честота, дължина на вълната или ъглова честота. Ако широчината на честотната лента е малка, честотната лента на дължината на вълната и честотата се преобразуват с помощта на следното уравнение, където λ и ν са централната дължина на вълната и честотата, съответно, и Δλ и Δν са широчината на честотната лента съответно на дължината на вълната и честотата.
Импулс за ограничаване на честотната лента
За определена форма на импулса, импулсът има най-малката спектрална ширина при липса на чирп, което се нарича импулс с ограничена честотна лента или ограничен с трансформация на Фурие, където произведението от времето на импулса и честотната честотна лента е константа, което е наречен продукт време-честотна лента (TBP). Произведението на времето на импулса и честотната лента е константа, наречена продукт време-честотна лента (TBP). Продуктите време-широчина на честотната лента на импулсите на Gaussian и sech² с ограничена честотна лента са съответно около 0.441 и 0.315; действителният чирп на импулса и кумулативната дисперсия на груповото закъснение могат да бъдат изчислени от това.
Следователно по-тесните ширини на импулса изискват по-широки спектри на Фурие. Например импулс от 10 fs трябва да има честотна лента от поне порядъка на 30 THz, докато импулс от атосекунда има още по-голяма честотна лента и централната му честота трябва да е доста над всяка честота на видимата светлина.
Фактори, влияещи върху ширината на импулса
Докато наносекундните или по-дълги импулси се разпространяват с малка или никаква промяна в ширината на импулса, дори на големи разстояния, ултракъсите импулси могат да бъдат повлияни от различни фактори:
Хроматичната дисперсия може да доведе до големи разсейвания на импулсите, въпреки че те могат да бъдат повторно компресирани с противоположната дисперсия, както е показано на диаграмата по-долу, която илюстрира работата на фемтосекундния импулсен компресор на Thorlabs за компенсиране на дисперсията на микроскопа.
Нелинейностите обикновено не влияят пряко върху ширината на импулса, но могат да доведат до по-широки ленти и да направят импулса по-податлив на дисперсия при разпространение.
Всеки тип влакно (включително други медии за усилване с ограничена честотна лента) може да повлияе на честотната лента или формата на ултракъсия импулс, а намаляването на честотната лента може да доведе до разширяване на времето; има и случаи, при които силно чирпираните импулси имат по-къси импулсни ширини, тъй като спектърът се стеснява.
