نظرة عامة على الليزر النبضي

نظرة عامة علىالليزر النبضي

الطريقة الأكثر مباشرة لتوليدالليزرالنبضات هي إضافة مُعدّل إلى خارج الليزر المستمر. تُنتج هذه الطريقة أسرع نبضة بيكو ثانية، على الرغم من بساطتها، إلا أن طاقة الضوء المهدورة وطاقة الذروة لا يمكن أن تتجاوز طاقة الضوء المستمر. لذلك، فإن الطريقة الأكثر فعالية لتوليد نبضات الليزر هي التعديل داخل تجويف الليزر، حيث يتم تخزين الطاقة في وقت توقف سلسلة النبضات وإطلاقها في وقت التشغيل. التقنيات الأربع الشائعة لتوليد النبضات من خلال تعديل تجويف الليزر هي: تبديل الكسب، وتبديل Q (تبديل الفقد)، وتفريغ التجويف، وقفل الوضع.

يُولّد مفتاح الكسب نبضات قصيرة عن طريق تعديل طاقة المضخة. على سبيل المثال، يُمكن لأشعة الليزر شبه الموصلة المُحوّلة للكسب أن تُولّد نبضات تتراوح مدتها بين بضعة نانوثانية ومئة بيكو ثانية عن طريق تعديل التيار. على الرغم من انخفاض طاقة النبضة، إلا أن هذه الطريقة مرنة للغاية، حيث تُتيح تعديل تردد التكرار وعرض النبضة. في عام ٢٠١٨، أعلن باحثون في جامعة طوكيو عن ليزر شبه موصل مُحوّل للكسب بسرعة فيمتوثانية، مُمثلاً إنجازًا كبيرًا في تجاوز عقبة تقنية استمرت ٤٠ عامًا.

تُولَّد نبضات نانوثانية قوية عادةً بواسطة ليزرات Q-switched، والتي تُصدر في عدة رحلات ذهابًا وإيابًا داخل التجويف، وتتراوح طاقة النبضة بين عدة ملي جول وعدة جول، حسب حجم النظام. أما نبضات البيكو ثانية والفيمتوثانية متوسطة الطاقة (عادةً أقل من 1 ميكروجول) فتُولَّد بشكل رئيسي بواسطة ليزرات مقفلة الوضع. يوجد نبضة أو أكثر فائقة القصر في مرنان الليزر تدور باستمرار. تُرسل كل نبضة داخل التجويف نبضة عبر مرآة اقتران الخرج، ويتراوح ترددها عادةً بين 10 ميجاهرتز و100 جيجاهرتز. يُظهر الشكل أدناه فيمتوثانية سوليتونية مُبدِّدة بتشتت طبيعي كامل (ANDi).جهاز ليزر الألياف، والتي يمكن بناء معظمها باستخدام مكونات Thorlabs القياسية (الألياف والعدسة والحامل وطاولة الإزاحة).

يمكن استخدام تقنية تفريغ التجويف لـليزر Q-switchedللحصول على نبضات أقصر وليزر مقفل الوضع لزيادة طاقة النبضة بتردد أقل.

نبضات المجال الزمني والمجال الترددي
الشكل الخطي للنبضة مع الزمن بسيط نسبيًا، ويمكن التعبير عنه باستخدام دوال غاوسية وسيخ². يُعبر عن زمن النبضة (المعروف أيضًا باسم عرض النبضة) عادةً بقيمة عرض نصف الارتفاع (FWHM)، أي العرض الذي تكون فيه القدرة الضوئية على الأقل نصف قدرة الذروة؛ يُولّد ليزر Q-switched نبضات قصيرة نانوثانية خلال
تنتج أشعة الليزر المُقفلة بالأنماط نبضات فائقة القصر (USP) تتراوح بين عشرات البيكو ثانية والفيمتوثانية. لا تستطيع الإلكترونيات عالية السرعة قياس سوى عشرات البيكو ثانية، ولا يمكن قياس النبضات الأقصر إلا باستخدام تقنيات بصرية بحتة مثل أجهزة الارتباط التلقائي، وFROG، وSPIDER. في حين أن النبضات النانوثانية أو الأطول لا تُغير عرض نبضتها تقريبًا أثناء انتقالها، حتى على مسافات طويلة، إلا أن النبضات فائقة القصر يمكن أن تتأثر بعوامل متنوعة:

يمكن أن يؤدي التشتت إلى اتساع كبير للنبضة، ولكن يمكن إعادة ضغطه باستخدام التشتت المعاكس. يوضح الرسم التخطيطي التالي كيفية تعويض ضاغط نبضات الفيمتوثانية من ثورلابز لتشتت المجهر.

لا يؤثر عدم الخطية بشكل مباشر على عرض النبضة، ولكنه يُوسّع عرض النطاق الترددي، مما يجعلها أكثر عرضة للتشتت أثناء الانتشار. أي نوع من الألياف، بما في ذلك وسائط الكسب الأخرى ذات عرض النطاق الترددي المحدود، يمكن أن يؤثر على شكل عرض النطاق الترددي أو النبضة فائقة القصر، ويمكن أن يؤدي انخفاض عرض النطاق الترددي إلى اتساعه مع مرور الوقت؛ وهناك أيضًا حالات يصبح فيها عرض النبضة ذات التردد العالي أقصر عندما يضيق الطيف.