El método más sencillo para generar pulsos láser es agregar un modulador externo al láser continuo. Este método produce pulsos tan rápidos como picosegundos, lo cual es simple pero desperdicia energía óptica y la potencia máxima no puede exceder la potencia óptica continua. Por lo tanto, un método más eficiente para generar pulsos láser es la modulación intracavidad, donde la energía se almacena en el momento de apagado de la ráfaga y se libera en el momento de encendido.
Las cuatro técnicas comunes utilizadas para generar pulsos a través de la modulación dentro de la cavidad del láser son la conmutación de ganancia, la conmutación Q (conmutación de pérdida), la inversión de cavidad y el bloqueo de modo.
La conmutación de ganancia genera pulsos cortos modulando la potencia de la bomba. Por ejemplo, los láseres de diodo con conmutación de ganancia son capaces de generar pulsos en el rango de unos pocos nanosegundos a cien picosegundos mediante modulación de corriente. Aunque la energía del pulso es baja, este método es muy flexible, ya que proporciona, por ejemplo, una frecuencia de repetición y un ancho de pulso sintonizables. Investigadores de la Universidad de Tokio informaron sobre un láser semiconductor con conmutación de ganancia de femtosegundo en 2018, lo que indica un gran avance en un cuello de botella tecnológico de 40-años.
Los láseres con conmutación Q suelen generar fuertes pulsos de nanosegundos, donde el láser se emite en unos pocos viajes de ida y vuelta dentro de la cavidad, con energías de pulso en el rango de unos pocos milijulios a unos pocos julios, dependiendo del tamaño del sistema.
Los pulsos de picosegundos y femtosegundos de energía moderada (generalmente por debajo de 1 μJ) se generan principalmente mediante láseres de modo bloqueado, con uno o más pulsos ultracortos presentes en un bucle continuo dentro de la cavidad resonante del láser, con los pulsos intracavidad emitidos uno a la vez a través de la salida. espejo de acoplamiento, y con una frecuencia de repetición que generalmente está en el rango de 10 MHz a 100 GHz. La siguiente figura muestra una configuración de láser de fibra de femtosegundo de solitón disipativo de dispersión totalmente normal (ANDi), que se puede construir con una gran mayoría de los componentes estándar de Thorlabs (fibra, lente, montura y etapa de desplazamiento).
Las técnicas de inversión de cavidad se pueden utilizar tanto para láseres con conmutación Q para obtener pulsos más cortos como para láseres de modo bloqueado para aumentar la energía del pulso a una frecuencia de repetición más baja.
Pulsos en el dominio del tiempo y la frecuencia
La forma lineal de un pulso a lo largo del tiempo es generalmente simple y puede expresarse como una función gaussiana y sech². La duración del pulso (también conocida como ancho de pulso) se expresa con mayor frecuencia como un valor de media anchura y alta magnitud (FWHM), es decir, la anchura abarcada por una potencia óptica de al menos la mitad de la potencia máxima; Los láseres de conmutación Q producen pulsos cortos de nanosegundos, y los láseres de modo bloqueado producen pulsos ultracortos (USP) de unas pocas decenas de picosegundos a femtosegundos. La electrónica de alta velocidad sólo puede medir unas pocas decenas de picosegundos como máximo, y los pulsos más cortos sólo pueden medirse con la ayuda de técnicas puramente ópticas, como autocorreladores, FROG y SPIDER.
Si se conoce la forma del pulso, la relación entre la energía del pulso (Ep), la potencia máxima (Pp) y el ancho del pulso (𝜏p) se calcula según la siguiente ecuación:
donde fs es un coeficiente relacionado con la forma del pulso, que es aproximadamente {{0}}.94 para pulsos gaussianos y 0,88 para pulsos sech², pero generalmente se aproxima a 1.
El ancho de banda del pulso se puede expresar en términos de frecuencia, longitud de onda o frecuencia angular. Si el ancho de banda es pequeño, los anchos de banda de longitud de onda y frecuencia se convierten usando la siguiente ecuación, donde λ y ν son la longitud de onda central y la frecuencia, respectivamente, y Δλ y Δν son el ancho de banda en longitud de onda y frecuencia, respectivamente.
Pulso de límite de ancho de banda
Para una forma de pulso particular, el pulso tiene el ancho espectral más pequeño en ausencia de chirrido, lo que se denomina pulso limitado por ancho de banda o limitado por transformada de Fourier, donde el producto del tiempo del pulso y el ancho de banda de frecuencia es una constante, que es llamado producto tiempo-ancho de banda (TBP). El producto del tiempo del pulso y el ancho de banda de frecuencia es una constante llamada producto tiempo-ancho de banda (TBP). Los productos tiempo-ancho de banda de los pulsos gaussianos y sech² con ancho de banda limitado son aproximadamente 0.441 y 0.315, respectivamente; a partir de esto se puede calcular el chirrido real del pulso y la dispersión acumulada del retardo de grupo.
Por lo tanto, anchos de pulso más estrechos requieren espectros de Fourier más amplios. Por ejemplo, un pulso de 10 fs debe tener un ancho de banda de al menos el orden de 30 THz, mientras que un pulso de attosegundo tiene un ancho de banda aún mayor y su frecuencia central debe estar muy por encima de cualquier frecuencia de luz visible.
Factores que afectan el ancho del pulso.
Mientras que los pulsos de nanosegundos o más largos se propagan con poco o ningún cambio en el ancho del pulso, incluso en distancias largas, los pulsos ultracortos pueden verse afectados por una variedad de factores:
La dispersión cromática puede provocar grandes extensiones de pulso, aunque se pueden recomprimir con la dispersión opuesta, como se muestra en el siguiente diagrama, que ilustra el funcionamiento del compresor de pulso de femtosegundo de Thorlabs para compensar la dispersión del microscopio.
Las no linealidades generalmente no afectan directamente el ancho del pulso, pero pueden generar anchos de banda más amplios y hacer que el pulso sea más susceptible a la dispersión en la propagación.
Cualquier tipo de fibra (incluidos otros medios de ganancia con ancho de banda limitado) puede afectar el ancho de banda o la forma del pulso ultracorto, y una reducción del ancho de banda puede dar lugar a un ensanchamiento del tiempo; También hay casos en los que los pulsos fuertemente chirriados tienen anchos de pulso más cortos a medida que el espectro se estrecha.
