El mètode més senzill per generar polsos làser és afegir un modulador extern al làser continu. Aquest mètode produeix polsos tan ràpids com picosegons, que és senzill però malgasta energia òptica i la potència màxima no pot superar la potència òptica contínua. Per tant, un mètode més eficient per generar polsos làser és la modulació intracavitat, on l'energia s'emmagatzema en el moment de desactivació de la ràfega i s'allibera al moment.
Les quatre tècniques habituals que s'utilitzen per generar polsos mitjançant la modulació dins de la cavitat làser són la commutació de guany, la commutació Q (conmutació de pèrdua), la inversió de la cavitat i el bloqueig de mode.
La commutació de guany genera polsos curts mitjançant la modulació de la potència de la bomba. Per exemple, els làsers amb commutació de guany de díode són capaços de generar polsos en el rang d'uns pocs nanosegons a un centenar de picosegons mitjançant la modulació actual. Tot i que l'energia del pols és baixa, aquest mètode és molt flexible, per exemple, proporcionant una re-freqüència i una amplada del pols ajustables. Els investigadors de la Universitat de Tòquio van informar l'any 2018 d'un làser semiconductor amb canvi de guany de femtosegon, que va indicar un avenç en un coll d'ampolla tecnològic de 40-any.
Els polsos de nanosegons forts solen ser generats per làsers de commutació Q, on el làser s'emet en uns quants viatges d'anada i tornada dins de la cavitat, amb energies de pols en el rang d'uns quants mil·lijoules a uns quants joules, depenent de la mida del sistema.
Els polsos de picosegons i femtoseguons d'energia moderada (generalment per sota d'1 μJ) es generen principalment per làsers bloquejats en mode, amb un o més polsos ultracurts presents en un bucle continu dins de la cavitat ressonant làser, amb els polsos intracavitats emesos un a un a través de la sortida. mirall d'acoblament, i amb una re-freqüència que es troba generalment en el rang de 10 MHz a 100 GHz. La figura següent mostra una configuració làser de fibra femtosegon de soliton dissipativa de dispersió normal (ANDi), que es pot construir amb una gran majoria dels components estàndard de Thorlabs (fibra, lent, muntatge i etapa de desplaçament).
Les tècniques d'inversió de la cavitat es poden utilitzar tant per als làsers amb commutació Q per obtenir polsos més curts com per als làsers bloquejats en mode per augmentar l'energia del pols a una refreqüència més baixa.
Polsos de domini de temps i freqüència
La forma lineal d'un pols al llarg del temps és generalment simple i es pot expressar com una funció gaussiana i sech². La durada del pols (també coneguda com a amplada del pols) s'expressa més sovint com un valor de mitja amplada-alta magnitud (FWHM), és a dir, l'amplada abastada per una potència òptica d'almenys la meitat de la potència màxima; Els làsers de commutació Q produeixen polsos de nanosegons curts i els làsers bloquejats en mode produeixen polsos ultracurts (USP) d'unes quantes desenes de picosegons a femtosegons. L'electrònica d'alta velocitat només pot mesurar unes quantes desenes de picosegons a la màxima velocitat, i els polsos més curts només es poden mesurar amb l'ajuda de tècniques purament òptiques com ara autocorreladors, FROG i SPIDER.
Si es coneix la forma del pols, la relació entre l'energia del pols (Ep), la potència màxima (Pp) i l'amplada del pols (𝜏p) es calcula segons l'equació següent:
on fs és un coeficient relacionat amb la forma del pols, que és aproximadament {{0}},94 per als polsos gaussians i 0,88 per als polsos sech², però generalment s'aproxima a 1.
L'amplada de banda del pols es pot expressar en termes de freqüència, longitud d'ona o freqüència angular. Si l'amplada de banda és petita, les amplades de banda de la longitud d'ona i la freqüència es converteixen mitjançant l'equació següent, on λ i ν són la longitud d'ona i la freqüència centrals, respectivament, i Δλ i Δν són l'amplada de banda en longitud d'ona i freqüència, respectivament.
Pols límit d'ample de banda
Per a una forma de pols particular, el pols té l'amplada espectral més petita en absència de xirp, que s'anomena pols limitat per l'amplada de banda o limitada per transformació de Fourier, on el producte del temps de pols i l'amplada de banda de freqüència és una constant, que és anomenat producte d'amplada de banda de temps (TBP). El producte del temps de pols i l'amplada de banda de freqüència és una constant anomenada producte d'amplada de banda de temps (TBP). Els productes d'amplada de banda de temps dels polsos gaussians i sech² limitats per ample de banda són aproximadament 0,441 i 0,315, respectivament; a partir d'això es pot calcular el xip real del pols i la dispersió acumulada del retard del grup.
Per tant, amplades de pols més estretes requereixen espectres de Fourier més amplis. Per exemple, un pols de 10 fs ha de tenir una amplada de banda d'almenys l'ordre de 30 THz, mentre que un pols d'atosegon té una amplada de banda encara més gran i la seva freqüència central ha d'estar molt per sobre de qualsevol freqüència de llum visible.
Factors que afecten l'amplada del pols
Mentre que els polsos de nanosegons o més llargs es propaguen amb poc o cap canvi en l'amplada del pols, fins i tot a llargues distàncies, els polsos ultracurts es poden veure afectats per una varietat de factors:
La dispersió cromàtica pot provocar grans dispersions de pols, tot i que es poden recomprimir amb la dispersió oposada, tal com es mostra al diagrama següent, que il·lustra el funcionament del compressor de polsos de femtosegons Thorlabs per compensar la dispersió del microscopi.
Les no linealitats generalment no afecten directament l'amplada del pols, però poden conduir a amplades de banda més amples i fer que el pols sigui més susceptible a la dispersió en la propagació.
Qualsevol tipus de fibra (incloent-hi altres mitjans de guany amb ample de banda limitat) pot afectar l'amplada de banda o la forma del pols ultracurt, i una reducció de l'amplada de banda pot provocar una ampliació del temps; també hi ha casos en què els polsos forts tenen amplades de pols més curtes a mesura que l'espectre s'estreny.
