Überblick über gepulste Laser

Überblick übergepulste Laser

Der direkteste Weg zur GenerierungLaserEine Möglichkeit, Laserpulse zu erzeugen, besteht darin, einen Modulator außerhalb des kontinuierlichen Laserstrahls anzubringen. Diese Methode ermöglicht zwar die Erzeugung schnellster Pikosekundenpulse, ist aber trotz ihrer Einfachheit mit Energieverlusten verbunden, und die Spitzenleistung kann die Leistung des kontinuierlichen Laserstrahls nicht überschreiten. Eine effizientere Methode zur Erzeugung von Laserpulsen ist daher die Modulation im Laserresonator. Dabei wird Energie während der Pulspausen gespeichert und während der Pulsphasen wieder abgegeben. Die vier gängigen Techniken zur Pulserzeugung mittels Laserresonatormodulation sind Verstärkungsumschaltung, Güteschaltung (Verlustumschaltung), Resonatorentleerung und Modenkopplung.

Der Verstärkungsschalter erzeugt kurze Pulse durch Modulation der Pumpleistung. So können beispielsweise Halbleiterlaser mit Verstärkungsschaltung durch Strommodulation Pulse von wenigen Nanosekunden bis zu hundert Pikosekunden erzeugen. Obwohl die Pulsenergie gering ist, bietet diese Methode eine hohe Flexibilität, etwa durch die Möglichkeit, die Wiederholfrequenz und die Pulsbreite anzupassen. Im Jahr 2018 berichteten Forscher der Universität Tokio über einen Femtosekunden-Halbleiterlaser mit Verstärkungsschaltung, was einen Durchbruch in einer 40 Jahre alten technischen Sackgasse darstellte.

Starke Nanosekundenpulse werden im Allgemeinen von gütegeschalteten Lasern erzeugt. Diese Pulse durchlaufen den Resonator mehrmals, wobei die Pulsenergie je nach Systemgröße im Bereich von einigen Millijoule bis zu einigen Joule liegt. Mittelenergetische (üblicherweise unter 1 μJ) Pikosekunden- und Femtosekundenpulse werden hauptsächlich von modengekoppelten Lasern erzeugt. Im Laserresonator befinden sich ein oder mehrere ultrakurze Pulse, die kontinuierlich zirkulieren. Jeder Puls im Resonator sendet einen Puls durch den Auskoppelspiegel, dessen Frequenzänderung üblicherweise zwischen 10 MHz und 100 GHz liegt. Die Abbildung unten zeigt einen Femtosekundenlaser mit vollständig normaler Dispersion (ANDi) und dissipativem Soliton.FaserlasergerätDie meisten davon können mit Thorlabs-Standardkomponenten (Faser, Linse, Halterung und Verschiebungstisch) gebaut werden.

Die Technik der Kavitätenentleerung kann angewendet werden fürgütegeschaltete Laserum kürzere Pulse und modengekoppelte Laser zu erhalten, um die Pulsenergie bei niedrigerer Wiederaufladung zu erhöhen.

Zeitbereichs- und Frequenzbereichsimpulse
Der lineare Verlauf des Pulses über die Zeit ist im Allgemeinen relativ einfach und kann durch Gauß- und sech²-Funktionen beschrieben werden. Die Pulsdauer (auch Pulsbreite genannt) wird üblicherweise durch die Halbwertsbreite (FWHM) angegeben, d. h. die Breite, über die die optische Leistung mindestens die Hälfte der Spitzenleistung beträgt. Q-geschaltete Laser erzeugen kurze Pulse im Nanosekundenbereich.
Modengekoppelte Laser erzeugen ultrakurze Pulse (USP) im Bereich von einigen zehn Pikosekunden bis Femtosekunden. Hochgeschwindigkeitselektronik kann nur Pulse bis zu einigen zehn Pikosekunden messen, und kürzere Pulse lassen sich nur mit rein optischen Technologien wie Autokorrelatoren, FROG und SPIDER messen. Während sich die Pulsbreite von Nanosekunden- oder längeren Pulsen auf ihrem Weg, selbst über große Entfernungen, kaum verändert, können ultrakurze Pulse von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden.

Dispersion kann zu einer starken Pulsverbreiterung führen, die jedoch durch die entgegengesetzte Dispersion kompensiert werden kann. Das folgende Diagramm veranschaulicht, wie der Femtosekunden-Pulskompressor von Thorlabs die Dispersion im Mikroskop kompensiert.

Nichtlinearität beeinflusst die Pulsbreite im Allgemeinen nicht direkt, sondern erweitert die Bandbreite, wodurch der Puls während der Ausbreitung anfälliger für Dispersion wird. Jede Faserart, einschließlich anderer Verstärkungsmedien mit begrenzter Bandbreite, kann die Form der Bandbreite oder ultrakurzer Pulse beeinflussen, und eine Verringerung der Bandbreite kann zu einer zeitlichen Verbreiterung führen. Es gibt auch Fälle, in denen die Pulsbreite eines stark gechirpten Pulses kürzer wird, wenn das Spektrum schmaler wird.