Tổng quan về laser xung

Tổng quan vềlaser xung

Cách trực tiếp nhất để tạo ratia laserMột phương pháp tạo xung laser là thêm bộ điều biến vào bên ngoài laser liên tục. Phương pháp này có thể tạo ra xung picosecond nhanh nhất, tuy đơn giản nhưng lại lãng phí năng lượng ánh sáng và công suất đỉnh không thể vượt quá công suất ánh sáng liên tục. Do đó, một cách hiệu quả hơn để tạo ra xung laser là điều biến trong khoang laser, tích trữ năng lượng ở thời điểm tắt của chuỗi xung và giải phóng nó ở thời điểm bật. Bốn kỹ thuật phổ biến được sử dụng để tạo xung thông qua điều biến trong khoang laser là chuyển mạch khuếch đại, chuyển mạch Q (chuyển mạch mất mát), làm trống khoang và khóa chế độ.

Bộ chuyển mạch khuếch đại tạo ra các xung ngắn bằng cách điều chỉnh công suất bơm. Ví dụ, laser bán dẫn chuyển mạch khuếch đại có thể tạo ra các xung từ vài nanogiây đến hàng trăm picogiây bằng cách điều chỉnh dòng điện. Mặc dù năng lượng xung thấp, phương pháp này rất linh hoạt, chẳng hạn như cung cấp tần số lặp lại và độ rộng xung có thể điều chỉnh. Năm 2018, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đã báo cáo về một laser bán dẫn chuyển mạch khuếch đại femtogiây, đánh dấu một bước đột phá trong việc giải quyết nút thắt kỹ thuật kéo dài 40 năm.

Các xung nano giây mạnh thường được tạo ra bởi các laser chuyển mạch Q, được phát ra trong nhiều vòng quay trong khoang cộng hưởng, và năng lượng xung nằm trong khoảng từ vài mili joule đến vài joule, tùy thuộc vào kích thước của hệ thống. Các xung picogiây và femtogiây năng lượng trung bình (thường dưới 1 μJ) chủ yếu được tạo ra bởi các laser khóa chế độ. Có một hoặc nhiều xung cực ngắn trong bộ cộng hưởng laser hoạt động liên tục theo chu kỳ. Mỗi xung bên trong khoang cộng hưởng truyền một xung qua gương ghép đầu ra, và tần số thường nằm trong khoảng từ 10 MHz đến 100 GHz. Hình dưới đây cho thấy một xung femtogiây soliton tiêu tán hoàn toàn bình thường (ANDi).thiết bị laser sợi quangHầu hết các thiết bị này có thể được chế tạo bằng các linh kiện tiêu chuẩn của Thorlabs (sợi quang, thấu kính, giá đỡ và bàn dịch chuyển).

Kỹ thuật làm rỗng khoang có thể được sử dụng đểLaser xung Qđể thu được các xung ngắn hơn và laser khóa chế độ nhằm tăng năng lượng xung với tần số lặp lại thấp hơn.

Các xung trong miền thời gian và miền tần số
Hình dạng tuyến tính của xung theo thời gian nhìn chung tương đối đơn giản và có thể được biểu diễn bằng các hàm Gaussian và sech². Thời gian xung (còn được gọi là độ rộng xung) thường được biểu thị bằng giá trị độ rộng nửa chiều cao (FWHM), tức là độ rộng mà tại đó công suất quang học ít nhất bằng một nửa công suất đỉnh; laser chuyển mạch Q tạo ra các xung ngắn nano giây thông qua
Laser khóa chế độ tạo ra các xung cực ngắn (USP) có độ dài từ vài chục picogiây đến femtogiây. Thiết bị điện tử tốc độ cao chỉ có thể đo được đến vài chục picogiây, và các xung ngắn hơn chỉ có thể được đo bằng các công nghệ quang học thuần túy như máy tự tương quan, FROG và SPIDER. Trong khi các xung nanogiây hoặc dài hơn hầu như không thay đổi độ rộng xung khi truyền đi, ngay cả trên quãng đường dài, các xung cực ngắn có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau:

Hiện tượng tán sắc có thể dẫn đến sự giãn rộng xung đáng kể, nhưng có thể được nén lại bằng hiện tượng tán sắc ngược lại. Sơ đồ sau đây cho thấy cách bộ nén xung femtô giây Thorlabs bù trừ hiện tượng tán sắc của kính hiển vi.

Tính phi tuyến thường không ảnh hưởng trực tiếp đến độ rộng xung, nhưng nó làm mở rộng băng thông, khiến xung dễ bị tán sắc hơn trong quá trình truyền dẫn. Bất kỳ loại sợi quang nào, bao gồm cả các môi trường khuếch đại khác có băng thông hạn chế, đều có thể ảnh hưởng đến hình dạng của băng thông hoặc xung siêu ngắn, và việc giảm băng thông có thể dẫn đến sự mở rộng theo thời gian; cũng có những trường hợp độ rộng xung của xung bị biến dạng mạnh trở nên ngắn hơn khi phổ trở nên hẹp hơn.