סקירה כללית של לייזרים פועמים

סקירה כללית שללייזרים פועמים

הדרך הישירה ביותר לייצרלייזרפעימות לייזר הן להוסיף מודולטור לחלק החיצוני של הלייזר הרציף. שיטה זו יכולה לייצר את פעימת הפיקו-שניות המהירה ביותר, למרות שהיא פשוטה, אך אנרגיית האור המבזבזת והספק השיא אינם יכולים לעלות על עוצמת האור הרציף. לכן, דרך יעילה יותר לייצר פעימות לייזר היא לווסת אותן בחלל הלייזר, לאגור אנרגיה בזמן הכיבוי של רכבת הפעימות ולשחרר אותה בזמן ההפעלה. ארבע הטכניקות הנפוצות המשמשות ליצירת פעימות באמצעות אפנון חלל הלייזר הן מיתוג הגבר, מיתוג Q (מיתוג הפסדים), ריקון חלל הלייזר ונעילת מצבים.

מתג ההגבר מייצר פולסים קצרים על ידי אפנון הספק המשאבה. לדוגמה, לייזרים מוליכים למחצה בעלי הגבר יכולים לייצר פולסים מכמה ננו-שניות ועד מאה פיקו-שניות על ידי אפנון זרם. למרות שאנרגיית הפולס נמוכה, שיטה זו גמישה מאוד, כגון מתן תדר חזרה ורוחב פולס מתכווננים. בשנת 2018, חוקרים מאוניברסיטת טוקיו דיווחו על לייזר מוליך למחצה בעל הגבר פמטו-שנייה, המייצג פריצת דרך בצוואר בקבוק טכני בן 40 שנה.

פולסים חזקים של ננו-שניות נוצרים בדרך כלל על ידי לייזרים בעלי מיתוג Q, הנפלטים במספר סיבובים בתוך החלל, ואנרגיית הפולס נעה בטווח של מספר מילי-ג'אול עד מספר ג'אול, תלוי בגודל המערכת. פולסים של פיקו-שניות ופמטו-שניות בעלי אנרגיה בינונית (בדרך כלל מתחת ל-1 מיקרו-ג'אול) נוצרים בעיקר על ידי לייזרים בעלי נעילת מצבים. יש פולס אולטרה-קצר אחד או יותר בתהודה של הלייזר, אשר עוברים מחזור רציף. כל פולס תוך-חלל מעביר פולס דרך מראה צימוד הפלט, ותדירות הרפרזנטציה היא בדרך כלל בין 10 מגה-הרץ ל-100 גיגה-הרץ. האיור שלהלן מציג פמטו-שניות סוליטוניות דיסיפטיביות של פיזור נורמלי לחלוטין (ANDi).מכשיר לייזר סיבים, שרובם ניתנים לבנייה באמצעות רכיבים סטנדרטיים של Thorlabs (סיב, עדשה, תושבת וטבלת תזוזה).

ניתן להשתמש בטכניקת ריקון חללים עבורלייזרים ממותגים Qכדי להשיג פולסים קצרים יותר ולייזרים עם נעילת מצב כדי להגדיל את אנרגיית הפולס עם תדר מחדש נמוך יותר.

פולסים בתחום הזמן ובתחום התדר
הצורה הליניארית של הפעימה עם הזמן היא בדרך כלל פשוטה יחסית וניתן לבטא אותה באמצעות פונקציות גאוסיות ו-sech². זמן הפעימה (הידוע גם כרוחב הפעימה) מבוטא לרוב על ידי ערך רוחב חצי גובה (FWHM), כלומר, הרוחב שלאורך כל הספק האופטי הוא לפחות מחצית מהספק השיא; לייזר Q-switched מייצר פולסים קצרים של ננו-שנייה דרך
לייזרים בעלי נעילת מצבים מייצרים פולסים קצרים במיוחד (USP) בסדר גודל של עשרות פיקו-שניות עד פמטו-שניות. אלקטרוניקה במהירות גבוהה יכולה למדוד רק עד עשרות פיקו-שניות, ופולסים קצרים יותר ניתנים למדידה רק באמצעות טכנולוגיות אופטיות גרידא כמו אוטוקורלטורים, FROG ו-SPIDER. בעוד שפולסים של ננו-שניות או יותר כמעט ולא משנים את רוחב הפולס שלהם כשהם נעים, אפילו למרחקים ארוכים, פולסים קצרים במיוחד יכולים להיות מושפעים ממגוון גורמים:

פיזור יכול לגרום להרחבת פולס גדולה, אך ניתן לדחוס אותו מחדש באמצעות פיזור הפוך. התרשים הבא מראה כיצד מדחס פולסים פמטו-שניות של Thorlabs מפצה על פיזור מיקרוסקופי.

אי-לינאריות בדרך כלל אינה משפיעה ישירות על רוחב הפולס, אך היא מרחיבה את רוחב הפס, מה שהופך את הפולס לרגיש יותר לפיזור במהלך ההתפשטות. כל סוג של סיב, כולל מדיות הגבר אחרות בעלות רוחב פס מוגבל, יכול להשפיע על צורת רוחב הפס או הפולס הקצר במיוחד, וירידה ברוחב הפס יכולה להוביל להתרחבות בזמן; ישנם גם מקרים בהם רוחב הפולס של הפולס המצויץ חזק מתקצר כאשר הספקטרום הופך צר יותר.