فهم شامل لأشعة الليزر النبضية

الطريقة الأكثر مباشرة لتوليد نبضات الليزر هي إضافة معدِّل خارجي لليزر المستمر. يمكن لهذه الطريقة توليد أسرع نبضات على مستوى البيكو ثانية. على الرغم من بساطتها، إلا أنها تهدر طاقة الضوء ولا يمكن أن تتجاوز الطاقة القصوى الطاقة الضوئية المستمرة. لذلك، فإن الطريقة الأكثر كفاءة لتوليد نبضات الليزر هي التعديل داخل تجويف الليزر، والذي يخزن الطاقة في وقت إيقاف سلسلة النبضات ويطلقها في وقت التشغيل. المقارنة بين الطريقتين هي كما يلي:

هناك أربع تقنيات شائعة لتوليد النبضات من خلال التعديل داخل التجويف بالليزر وهي: تبديل المكسب، وتبديل Q (تبديل الخسارة)، وتفريغ التجويف، وقفل الوضع.

• يولد مفتاح الكسب نبضات قصيرة عن طريق تعديل طاقة المضخة. على سبيل المثال، يمكن لليزر شبه الموصل الذي يعمل بمفتاح الكسب أن يولد نبضات تتراوح من بضعة نانوثانية إلى مئات البيكو ثانية من خلال تعديل التيار. وعلى الرغم من أن طاقة النبضة منخفضة، إلا أن هذه الطريقة مرنة للغاية، مثل توفير تردد تكرار قابل للتعديل وعرض نبضة. أبلغ باحثون في جامعة طوكيو عن ليزر أشباه الموصلات الذي يعمل بمفتاح الكسب على مستوى الفيمتوثانية في عام 2018، مما يعني اختراقًا في عنق الزجاجة التقني الذي دام 40 عامًا.

• يتم توليد نبضات نانوثانية قوية بشكل عام بواسطة الليزر Q-switched. يتم إصدار الليزر خلال عدة رحلات ذهابًا وإيابًا داخل التجويف. تتراوح طاقة النبضة من بضعة ملي جول إلى بضعة جول، اعتمادًا على حجم النظام.

• يتم توليد نبضات بيكو ثانية وفيمتوثانية متوسطة الطاقة (عادةً أقل من 1 μJ) بشكل أساسي بواسطة الليزر المقفل بالوضع. توجد نبضة واحدة أو أكثر قصيرة للغاية في الدورة المستمرة في تجويف الرنين بالليزر. يتم إصدار كل نبضة داخل التجويف من خلال مرآة اقتران الإخراج. يتراوح تردد النبضة والتكرار بشكل عام بين 10 ميجا هرتز و100 جيجا هرتز. يوضح الشكل أدناه جهاز ليزر ألياف فيمتوثانية سوليتون مبدد طبيعي بالكامل (ANDi)، يمكن بناء معظمها باستخدام مكونات Thorlabs القياسية (الألياف والعدسة وقاعدة التركيب ومرحلة الإزاحة).

• يمكن استخدام تقنية استنزاف التجويف ليس فقط لليزر Q-switched للحصول على نبضات أقصر، ولكن أيضًا لليزر المقفل بالوضع لزيادة طاقة النبضة عند ترددات التكرار المنخفضة.

نبضات المجال الزمني والترددي

الشكل الخطي لتغير النبضة بمرور الوقت يكون بسيطًا نسبيًا بشكل عام ويمكن تمثيله بواسطة الدوال Gaussian وsech². يتم تمثيل وقت النبضة (يُسمى أيضًا عرض النبضة) بشكل شائع بقيمة نصف الحد الأقصى (FWHM)، أي العرض الذي تمتد إليه الطاقة الضوئية على الأقل نصف طاقة الذروة؛ يتم توليد نبضات قصيرة على مستوى النانو ثانية بواسطة ليزر Q-switched، ويتم توليد عدة نبضات نانو ثانية بواسطة ليزر مقفل الوضع. نبضات فائقة القصر (USP) من عشرة بيكو ثانية إلى فمتوثانية. لا يمكن للإلكترونيات عالية السرعة قياس سوى عشرات البيكو ثانية في أفضل الأحوال، ولا يمكن تحقيق نبضات أقصر إلا باستخدام تقنيات بصرية بحتة، مثل أجهزة الارتباط التلقائي، FROG وSPIDER.

إذا كان شكل النبضة معروفًا، يتم حساب العلاقة بين طاقة النبضة (Ep) والقدرة القصوى (Pp) وعرض النبضة (𝜏p) وفقًا للصيغة التالية:

حيث fs هو معامل مرتبط بشكل النبضة، وهو ما يقرب من 0.94 للنبضات الغوسية وما يقرب من 0.88 لنبضات sech²، ولكن يتم حسابه بشكل عام تقريبًا على أنه 1.

يمكن التعبير عن عرض النطاق الترددي للنبضة بالتردد أو الطول الموجي أو التردد الزاوي. إذا كان عرض النطاق الترددي صغيرًا، يتم تحويل الطول الموجي وعرض النطاق الترددي باستخدام الصيغة التالية، حيث λ وν هما الطول الموجي المركزي والتردد على التوالي، وΔλ وΔν هما عرض النطاق الترددي المعبر عنه بالطول الموجي والتردد على التوالي.

حد عرض النطاق النبضي للنبضة بالنسبة لشكل نبضة معين، يكون عرض طيف النبضة هو الحد الأدنى عندما لا يكون هناك تغريد. في هذا الوقت، نطلق عليه حد عرض النطاق أو نبضة حد تحويل فورييه. حاصل ضرب وقت النبضة وعرض نطاق التردد هو ثابت. يسمى هذا الثابت الوقت. حاصل عرض النطاق الترددي (TBP). حاصل ضرب الوقت وعرض النطاق الترددي للنبضات Gaussian وsech² المحدودة بعرض النطاق الترددي هو تقريبًا 0.441 و0.315 على التوالي؛ بناءً على ذلك، يمكن أيضًا حساب مقدار تغريد النبضة الفعلي وتشتت تأخير المجموعة المتراكم.

لذلك، يتطلب عرض النبضة الضيق طيف فورييه أوسع. على سبيل المثال، يجب أن يكون عرض النطاق الترددي لنبضة مدتها 10 فيموثانية على الأقل في حدود 30 تيراهرتز، بينما يجب أن يكون عرض النطاق الترددي لنبضة الأتوثانية أكبر، ويجب أن يكون ترددها المركزي أعلى بكثير من أي تردد للضوء المرئي.

1 مللي ثانية (مللي ثانية) = 10−3 ثانية	1 بيكو ثانية = 10−12 ثانية
1 ميكروثانية = 10−6 ثانية	1 فمتوثانية (فيمتو ثانية) = 10−15 ثانية
1 نانوثانية = 10−9 ثانية	1 كـ (أتوثانية) = 10−18 ثانية

العوامل المؤثرة على عرض النبضة

في حين أن النبضات النانوية أو الأطول لا تكاد تتغير في العرض أثناء انتشارها، حتى على مسافات طويلة، يمكن أن تتأثر النبضات فائقة القصر بمجموعة متنوعة من العوامل:

يمكن أن يتسبب التشتت اللوني في اتساع النبضات بشكل كبير، ولكن يمكن استخدام التشتت المعاكس لإعادة الضغط. يوضح الشكل أدناه مبدأ عمل ضاغط نبضات الفيمتوثانية من Thorlabs للتعويض عن تشتت المجهر.

لا تؤثر اللاخطية بشكل عام بشكل مباشر على عرض النبضة، ولكنها تعمل على توسيع نطاق التوصيل، مما يجعل النبضة أكثر عرضة للتشتت أثناء الانتشار.

يمكن لأي نوع من الألياف الضوئية (بما في ذلك وسائط الكسب الأخرى ذات النطاق الترددي المحدود) أن يؤثر على النطاق الترددي أو شكل النبضات فائقة القصر، وقد يؤدي انخفاض النطاق الترددي إلى توسيع الوقت؛ وهناك أيضًا حالات يصبح فيها عرض النبضة للنبضة ذات التغريد القوي أقصر عندما يضيق الطيف.