Den mest ligetil metode til at generere laserimpulser er at tilføje en modulator eksternt til den kontinuerlige laser. Denne metode producerer pulser så hurtigt som picosekunder, hvilket er simpelt, men spilder optisk energi, og spidseffekten kan ikke overstige den kontinuerlige optiske effekt. Derfor er en mere effektiv metode til at generere laserimpulser intrakavitetsmodulation, hvor energien lagres ved off-tiden for burst og frigives på on-tid.
De fire almindelige teknikker, der bruges til at generere impulser gennem modulering i laserhulrummet, er forstærkningsskift, Q-switching (tabsskift), hulrumsinversion og tilstandslåsning.
Gain switching genererer korte impulser ved at modulere pumpeeffekten. For eksempel er diode gain-switched lasere i stand til at generere impulser i området fra nogle få nanosekunder til hundrede picosekunder gennem strømmodulation. Selvom pulsenergien er lav, er denne metode meget fleksibel, for eksempel giver den indstillelig genfrekvens og pulsbredde. Forskere ved University of Tokyo rapporterede en femtosecond gain-switched halvlederlaser i 2018, hvilket signalerede et gennembrud i en 40-års teknologisk flaskehals.
Stærke nanosekundimpulser genereres typisk af Q-switched lasere, hvor laseren udsendes inden for få rundrejser inde i hulrummet, med pulsenergier i området fra nogle få millijoule til nogle få joule, afhængig af systemets størrelse.
Moderat energi (generelt under 1 μJ) picosekund- og femtosekundimpulser genereres primært af modelåste lasere, med en eller flere ultrakorte impulser til stede i en kontinuerlig sløjfe i laserresonanshulrummet, hvor intrakavitetsimpulserne udsendes en ad gangen gennem outputtet koblingsspejl, og med en genfrekvens, der generelt ligger i området 10 MHz til 100 GHz. Figuren nedenfor viser en all-normal dispersion (ANDi) dissipativ soliton femtosekund fiberlaseropsætning, som kan bygges med et stort flertal af Thorlabs' standardkomponenter (fiber, linse, montering og forskydningstrin).
Kavitetsinversionsteknikker kan bruges både til Q-switched lasere for at opnå kortere pulser og til mode-locked lasere for at øge pulsenergien ved en lavere re-frekvens.
Tids- og frekvensdomænepulser
Den lineære form af en puls over tid er generelt enkel og kan udtrykkes som en Gauss- og sech²-funktion. Pulsvarighed (også kendt som pulsbredde) udtrykkes oftest som en halv-bredde-høj-magnitude (FWHM) værdi, dvs. bredden spændt over en optisk effekt på mindst halvdelen af spidseffekten; korte nanosekunders pulser produceres af Q-switched lasere, og ultrakorte pulser (USP'er) på et par tiere af picosekunder til femtosekunder produceres af mode-locked lasere. Højhastighedselektronik kan kun måle nogle få snesevis af picosekunder på det hurtigste, og kortere impulser kan kun måles ved hjælp af rent optiske teknikker såsom autokorrelatorer, FROG'er og SPIDER'er.
Hvis pulsformen er kendt, beregnes forholdet mellem pulsenergi (Ep), spidseffekt (Pp) og pulsbredde (𝜏p) i henhold til følgende ligning:
hvor fs er en koefficient relateret til formen af pulsen, som er ca. {{0}},94 for Gauss-impulser og 0,88 for sech²-impulser, men er generelt tilnærmet med 1.
Båndbredden af pulsen kan udtrykkes i form af frekvens, bølgelængde eller vinkelfrekvens. Hvis båndbredden er lille, konverteres bølgelængden og frekvensbåndbredderne ved hjælp af følgende ligning, hvor λ og ν er henholdsvis centerbølgelængden og frekvensen, og Δλ og Δν er båndbredden i henholdsvis bølgelængde og frekvens.
Båndbreddegrænsepuls
For en bestemt pulsform har pulsen den mindste spektrale bredde i fravær af chirp, hvilket kaldes den båndbreddebegrænsede eller Fourier-transformeringsbegrænsede puls, hvor produktet af pulstiden og frekvensbåndbredden er en konstant, som er kaldet tidsbåndbreddeproduktet (TBP). Produktet af pulstiden og frekvensbåndbredden er en konstant kaldet tidsbåndbreddeproduktet (TBP). Tidsbåndbreddeprodukterne af de båndbreddebegrænsede Gauss- og sech²-impulser er henholdsvis ca. 0.441 og 0.315; pulsens faktiske chirp og den kumulative gruppeforsinkelsesspredning kan beregnes ud fra dette.
Derfor kræver smallere pulsbredder bredere Fourier-spektre. For eksempel skal en 10 fs-impuls have en båndbredde på mindst størrelsesordenen 30 THz, mens en attosecond-impuls har en endnu større båndbredde, og dens centerfrekvens skal være et godt stykke over enhver synlig lysfrekvens.
Faktorer, der påvirker pulsbredden
Mens nanosekund eller længere pulser forplanter sig med lille eller ingen ændring i pulsbredde, selv over lange afstande, kan ultrakorte pulser blive påvirket af en række faktorer:
Kromatisk spredning kan føre til store pulsspredninger, selvom de kan komprimeres igen med den modsatte dispersion, som vist i diagrammet nedenfor, som illustrerer Thorlabs Femtosecond Pulse Compressors funktion for at kompensere for mikroskopdispersion.
Ikke-lineariteter påvirker generelt ikke pulsbredden direkte, men de kan føre til bredere båndbredder og gøre pulsen mere modtagelig for spredning i udbredelsen.
Enhver type fiber (inklusive andre forstærkningsmedier med begrænset båndbredde) kan påvirke båndbredden eller formen af den ultrakorte puls, og en reduktion i båndbredden kan føre til tidsudvidelse; der er også tilfælde, hvor stærkt chirpede pulser har kortere pulsbredder, når spektret indsnævres.
