Übersicht gepulster Laser

Übersicht übergepulste Laser

Der direkteste Weg zur GenerierungLaserDie Erzeugung von Impulsen erfolgt durch das Hinzufügen eines Modulators an der Außenseite des kontinuierlichen Lasers. Diese Methode kann, obwohl einfach, die schnellsten Pikosekundenimpulse erzeugen, allerdings können die Lichtenergie und die Spitzenleistung die Dauerlichtleistung nicht überschreiten. Daher ist eine effizientere Methode zur Erzeugung von Laserimpulsen die Modulation im Laserresonator. Dabei wird Energie zum Zeitpunkt der Impulsfolge gespeichert und zum Zeitpunkt der Impulsfolge freigesetzt. Die vier gängigen Techniken zur Impulserzeugung durch Laserresonatormodulation sind Verstärkungsumschaltung, Güteumschaltung (Verlustumschaltung), Resonatorentleerung und Modenkopplung.

Der Verstärkungsschalter erzeugt durch Modulation der Pumpleistung kurze Impulse. Beispielsweise können Halbleiterlaser mit Verstärkungsschalter durch Strommodulation Impulse von wenigen Nanosekunden bis zu hundert Pikosekunden erzeugen. Obwohl die Impulsenergie gering ist, bietet dieses Verfahren hohe Flexibilität, beispielsweise durch die Möglichkeit der Anpassung von Wiederholungsfrequenz und Impulsbreite. 2018 berichteten Forscher der Universität Tokio über einen Femtosekunden-Halbleiterlaser mit Verstärkungsschalter, der einen Durchbruch in einem 40 Jahre alten technischen Engpass darstellte.

Starke Nanosekundenpulse werden üblicherweise von gütegeschalteten Lasern erzeugt, die in mehreren Umläufen im Resonator emittiert werden. Die Pulsenergie liegt je nach Systemgröße im Bereich von einigen Millijoule bis mehreren Joule. Mittelenergetische (in der Regel unter 1 μJ) Pikosekunden- und Femtosekundenpulse werden hauptsächlich von modengekoppelten Lasern erzeugt. Im Laserresonator befinden sich ein oder mehrere ultrakurze Pulse, die kontinuierlich zyklisch durchlaufen. Jeder resonatorinterne Puls sendet einen Puls durch den Auskoppelspiegel. Die Frequenz liegt üblicherweise zwischen 10 MHz und 100 GHz. Die folgende Abbildung zeigt einen vollständig normaldispersen (ANDi) dissipativen Soliton-FemtosekundenpulsFaserlasergerät, von denen die meisten mit Thorlabs-Standardkomponenten (Faser, Linse, Halterung und Verschiebungstisch) gebaut werden können.

Die Hohlraumentleerungstechnik kann verwendet werden fürGütegeschaltete Laserum kürzere Impulse zu erhalten und modengekoppelte Laser, um die Impulsenergie bei niedrigerer Frequenz zu erhöhen.

Zeitbereichs- und Frequenzbereichsimpulse
Die lineare Form des Impulses mit der Zeit ist im Allgemeinen relativ einfach und kann durch Gauß- und sech²-Funktionen ausgedrückt werden. Die Impulszeit (auch Impulsbreite genannt) wird am häufigsten durch den Halbwertsbreitenwert (FWHM) ausgedrückt, d. h. die Breite, über die die optische Leistung mindestens die Hälfte der Spitzenleistung beträgt; gütegeschaltete Laser erzeugen nanosekundenkurze Impulse durch
Modengekoppelte Laser erzeugen ultrakurze Pulse (USP) im Bereich von einigen zehn Pikosekunden bis zu einigen Femtosekunden. Hochgeschwindigkeitselektronik kann nur Pulse im Bereich von einigen zehn Pikosekunden messen, und kürzere Pulse lassen sich nur mit rein optischen Technologien wie Autokorrelatoren, FROG und SPIDER messen. Während Pulse im Nanosekunden- oder längeren Bereich ihre Pulsbreite selbst über große Entfernungen kaum verändern, können ultrakurze Pulse durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden:

Dispersion kann zu einer starken Impulsverbreiterung führen, kann aber mit der entgegengesetzten Dispersion rekomprimiert werden. Das folgende Diagramm zeigt, wie der Femtosekunden-Impulskompressor von Thorlabs die Mikroskopdispersion kompensiert.

Nichtlinearität beeinflusst die Pulsbreite im Allgemeinen nicht direkt, vergrößert aber die Bandbreite, wodurch der Puls während der Ausbreitung anfälliger für Dispersion wird. Jeder Fasertyp, einschließlich anderer Verstärkungsmedien mit begrenzter Bandbreite, kann die Form der Bandbreite oder des ultrakurzen Pulses beeinflussen, und eine Verringerung der Bandbreite kann zu einer zeitlichen Vergrößerung führen; es gibt auch Fälle, in denen die Pulsbreite des stark gechirpten Pulses kürzer wird, wenn das Spektrum schmaler wird.