نظرة عامة على الليزر النبضي

نظرة عامة علىالليزر النبضي

الطريقة الأكثر مباشرة لتوليدالليزرالنبضات هي إضافة مُعدِّل إلى الجزء الخارجي من الليزر المستمر. يمكن لهذه الطريقة أن تنتج أسرع نبضة بيكو ثانية، على الرغم من أنها بسيطة، إلا أن هدر الطاقة الضوئية وطاقة الذروة لا يمكن أن تتجاوز الطاقة الضوئية المستمرة. ولذلك، فإن الطريقة الأكثر فعالية لتوليد نبضات الليزر هي تعديل تجويف الليزر، وتخزين الطاقة في وقت خارج قطار النبض وإطلاقها في الوقت المناسب. التقنيات الأربعة الشائعة المستخدمة لتوليد نبضات من خلال تعديل تجويف الليزر هي تبديل الكسب، وتبديل Q (تبديل الخسارة)، وإفراغ التجويف، وقفل الوضع.

يقوم مفتاح الكسب بتوليد نبضات قصيرة عن طريق تعديل طاقة المضخة. على سبيل المثال، يمكن لأشعة الليزر ذات تحويل الكسب لأشباه الموصلات توليد نبضات تتراوح من بضعة نانو ثانية إلى مائة بيكو ثانية عن طريق التعديل الحالي. على الرغم من أن طاقة النبض منخفضة، إلا أن هذه الطريقة مرنة للغاية، مثل توفير تردد تكرار قابل للتعديل وعرض النبض. في عام 2018، أعلن باحثون في جامعة طوكيو عن ليزر أشباه الموصلات بتبديل كسب الفيمتو ثانية، وهو ما يمثل طفرة في عنق الزجاجة التقني المستمر منذ 40 عامًا.

يتم إنشاء نبضات النانو ثانية القوية بشكل عام بواسطة ليزر Q-switched، والتي تنبعث في عدة رحلات ذهابًا وإيابًا في التجويف، وتتراوح طاقة النبض من عدة ملي جول إلى عدة جول، اعتمادًا على حجم النظام. يتم توليد نبضات البيكو ثانية والفيمتو ثانية ذات الطاقة المتوسطة (أقل عمومًا من 1 ميكروجول) بشكل أساسي بواسطة أشعة الليزر ذات الوضع المقفل. يوجد واحد أو أكثر من النبضات فائقة القصر في مرنان الليزر والتي تدور بشكل مستمر. تنقل كل نبضة داخل التجويف نبضة عبر مرآة اقتران الخرج، ويتراوح التردد عمومًا بين 10 ميجاهرتز و100 جيجاهرتز. يوضح الشكل أدناه التشتت الطبيعي الكامل (ANDi) لسليتون الفيمتو ثانيةجهاز ليزر الألياف، والتي يمكن بناء معظمها باستخدام مكونات Thorlabs القياسية (الألياف والعدسة والتركيب وطاولة الإزاحة).

يمكن استخدام تقنية تفريغ التجويفليزر Q-switchedللحصول على نبضات أقصر وأشعة ليزر مقفلة الوضع لزيادة طاقة النبض بتردد أقل.

المجال الزمني ونبضات مجال التردد
يكون الشكل الخطي للنبض مع مرور الوقت بسيطًا نسبيًا بشكل عام ويمكن التعبير عنه بواسطة وظائف Gaussian وsech². يتم التعبير عن وقت النبض (المعروف أيضًا باسم عرض النبضة) بشكل شائع بقيمة عرض نصف الارتفاع (FWHM)، أي العرض الذي تبلغ فيه الطاقة الضوئية نصف قدرة الذروة على الأقل؛ يولد ليزر Q-switched نبضات قصيرة بالنانو ثانية من خلاله
تنتج أشعة الليزر ذات الوضع المقفل نبضات قصيرة جدًا (USP) في حدود عشرات البيكو ثانية إلى الفيمتو ثانية. يمكن للإلكترونيات عالية السرعة قياس ما يصل إلى عشرات البيكو ثانية فقط، ولا يمكن قياس النبضات الأقصر إلا باستخدام تقنيات بصرية بحتة مثل أجهزة الارتباط التلقائي، وFROG، وSPIDER. في حين أن النبضات النانو ثانية أو الأطول بالكاد تغير عرض النبضة أثناء انتقالها، حتى عبر مسافات طويلة، فإن النبضات القصيرة جدًا يمكن أن تتأثر بمجموعة متنوعة من العوامل:

يمكن أن يؤدي التشتت إلى توسيع النبضة بشكل كبير، ولكن يمكن إعادة ضغطها باستخدام التشتت المعاكس. يوضح الرسم البياني التالي كيف يعوض ضاغط نبض الفيمتو ثانية من Thorlabs تشتت المجهر.

لا تؤثر اللاخطية عمومًا بشكل مباشر على عرض النبضة، ولكنها تعمل على توسيع عرض النطاق الترددي، مما يجعل النبضة أكثر عرضة للتشتت أثناء الانتشار. يمكن لأي نوع من الألياف، بما في ذلك وسائط الكسب الأخرى ذات النطاق الترددي المحدود، أن يؤثر على شكل النطاق الترددي أو النبضة القصيرة جدًا، ويمكن أن يؤدي انخفاض عرض النطاق الترددي إلى اتساع الوقت؛ وهناك أيضًا حالات يصبح فيها عرض النبضة للنبضة ذات الزقزقة القوية أقصر عندما يصبح الطيف أضيق.