Darbeli Lazerlerin Kapsamlı Anlayışı

Lazer darbeleri üretmenin en doğrudan yolu, sürekli lazerin dışına bir modülatör eklemektir. Bu yöntem en hızlı pikosaniye düzeyindeki darbeleri üretebilir. Basit olmasına rağmen, ışık enerjisini boşa harcar ve tepe gücü sürekli optik gücü aşamaz. Bu nedenle, lazer darbeleri üretmenin daha verimli bir yöntemi, darbe dizisinin kapalı zamanında enerji depolayan ve açık zamanında serbest bırakan lazerin boşluk içi modülasyonudur. İki yöntemin karşılaştırması aşağıdaki gibidir:

Lazer boşluk içi modülasyonu yoluyla darbe üretmenin dört yaygın tekniği kazanç anahtarlama, Q anahtarlama (kayıp anahtarlama), boşluk boşaltma ve mod kilitlemedir.

• Kazanç anahtarı, pompa gücünü modüle ederek kısa darbeler üretir. Örneğin, yarı iletken kazanç anahtarlı lazerler, akım modülasyonu yoluyla birkaç nanosaniyeden yüzlerce pikosaniyeye kadar değişen darbeler üretebilir. Darbe enerjisi düşük olsa da, bu yöntem ayarlanabilir tekrarlama frekansı ve darbe genişliği sağlamak gibi çok esnektir. Tokyo Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, 2018'de femtosaniye düzeyinde bir kazanç anahtarlı yarı iletken lazer bildirdiler; bu, 40 yıllık teknik darboğazda bir atılım anlamına geliyordu.

• Güçlü nanosaniye darbeleri genellikle Q-anahtarlı lazerler tarafından üretilir. Lazer, boşluk içinde birkaç turda yayılır. Darbe enerjisi, sistemin boyutuna bağlı olarak birkaç milijoule ile birkaç joule arasında değişir.

• Orta enerjili (genellikle 1 μJ'nin altında) pikosaniye ve femtosaniye darbeleri esas olarak mod kilitli lazerler tarafından üretilir. Lazer rezonans boşluğunda sürekli dolaşımda bir veya daha fazla ultra kısa darbe vardır. Her boşluk içi darbesi çıkış bağlantı aynası aracılığıyla yayılır. Darbe, tekrarlama frekansı genellikle 10 MHz ile 100 GHz arasındadır. Aşağıdaki şekil, çoğu Thorlabs standart bileşenleri (fiber, lens, montaj tabanı ve yer değiştirme aşaması) kullanılarak inşa edilebilen tamamen normal dağılımlı (ANDi) dağıtıcı soliton femtosaniye fiber lazer cihazını göstermektedir.

• Kavite azaltma teknolojisi, sadece daha kısa darbeler elde etmek için Q-anahtarlı lazerlerde değil, aynı zamanda daha düşük tekrarlama frekanslarında darbe enerjisini artırmak için mod kilitli lazerlerde de kullanılabilir.

Zaman ve frekans alanı darbeleri

Darbenin zaman içindeki doğrusal şekli genellikle nispeten basittir ve Gauss ve sec² fonksiyonları ile temsil edilebilir. Darbe süresi (darbe genişliği olarak da adlandırılır) en yaygın olarak yarı maksimum (FWHM) değeri ile temsil edilir, yani optik gücün en az tepe gücünün yarısı kadar olan genişlik; nanosaniye düzeyindeki kısa darbeler Q-anahtarlı lazerler tarafından üretilir ve birkaç nanosaniye darbesi mod kilitli lazerler tarafından üretilir. On pikosaniyeden femtosaniyeye kadar ultra kısa darbeler (USP). Yüksek hızlı elektronik cihazlar en iyi ihtimalle sadece onlarca pikosaniye ölçebilir ve daha kısa darbeler sadece otokorelatörler, FROG ve SPIDER gibi tamamen optik teknolojilerle elde edilebilir.

Darbe şekli biliniyorsa, darbe enerjisi (Ep), tepe gücü (Pp) ve darbe genişliği (𝜏p) arasındaki ilişki aşağıdaki formüle göre hesaplanır:

Burada fs, Gauss darbeleri için yaklaşık 0,94 ve sec² darbeleri için yaklaşık 0,88 olan, ancak genellikle yaklaşık olarak 1 olarak hesaplanan darbe şekline bağlı bir katsayıdır.

Bir darbenin bant genişliği frekans, dalga boyu veya açısal frekans olarak ifade edilebilir. Bant genişliği küçükse, dalga boyu ve frekans bant genişliği aşağıdaki formül kullanılarak dönüştürülür, burada λ ve ν sırasıyla merkez dalga boyu ve frekanstır ve Δλ ve Δν sırasıyla dalga boyu ve frekans olarak ifade edilen bant genişliğidir.

Bant genişliği sınır darbesi Belirli bir darbe şekli için, cıvıltı olmadığında darbenin spektrum genişliği minimumdur. Bu anda buna bant genişliği sınırı veya Fourier dönüşümü sınır darbesi diyoruz. Darbe süresi ve frekans bant genişliğinin çarpımı bir sabittir. Bu sabite zaman denir. Bant Genişliği Ürünü (TBP). Bant genişliği sınırlı Gauss ve sec² darbelerinin zaman-bant genişliği ürünleri sırasıyla yaklaşık olarak 0,441 ve 0,315'tir; buna dayanarak, gerçek darbe cıvıltı miktarı ve birikmiş grup gecikme dağılımı da hesaplanabilir.

Bu nedenle, daha dar bir darbe genişliği daha geniş bir Fourier spektrumu gerektirir. Örneğin, 10 fs'lik bir darbenin bant genişliği en azından 30 THz mertebesinde olmalı, bir attosaniye darbesinin bant genişliği ise daha büyük olmalı ve merkez frekansı herhangi bir görünür ışık frekansından çok daha yüksek olmalıdır.

Darbe genişliğini etkileyen faktörler

Nanosaniye veya daha uzun darbeler yayılırken genişlikleri uzun mesafelerde bile neredeyse hiç değişmezken, ultra kısa darbeler çeşitli faktörlerden etkilenebilir:

Kromatik dağılım büyük darbe genişlemesine neden olabilir, ancak zıt dağılım yeniden sıkıştırmak için kullanılabilir. Aşağıdaki şekil, mikroskop dağılımını telafi etmek için Thorlabs'ın femtosaniye darbe sıkıştırıcısının çalışma prensibini göstermektedir.

Doğrusal olmama durumu genellikle darbe genişliğini doğrudan etkilemez, ancak iletim bant genişliğini genişleterek darbenin yayılma sırasında dağılmaya daha yatkın hale gelmesine neden olur.

Herhangi bir tip optik fiber (sınırlı bant genişliğine sahip diğer kazanç ortamları dahil) ultra kısa darbelerin bant genişliğini veya şeklini etkileyebilir ve bant genişliğindeki azalma zaman genişlemesine neden olabilir; ayrıca, spektrum daraldığında güçlü bir şekilde kırpılmış bir darbenin darbe genişliğinin daha kısa olduğu durumlar da vardır.