لمحة عامة عن الليزر النبضي

نظرة عامة علىالليزر النبضي

الطريقة الأكثر مباشرة لتوليدليزرتتمثل إحدى طرق توليد النبضات الليزرية في إضافة مُعدِّل إلى الجزء الخارجي من الليزر المستمر. تُنتج هذه الطريقة نبضات بيكو ثانية فائقة السرعة، ورغم بساطتها، إلا أنها تُهدر طاقة ضوئية، ولا تتجاوز قدرة الذروة فيها قدرة الضوء المستمر. لذا، تُعدّ الطريقة الأكثر كفاءة لتوليد النبضات الليزرية هي التعديل داخل تجويف الليزر، حيث تُخزَّن الطاقة في فترة توقف سلسلة النبضات وتُحرَّر في فترة تشغيلها. وتشمل التقنيات الأربع الشائعة لتوليد النبضات من خلال تعديل تجويف الليزر: تبديل الكسب، وتبديل Q (تبديل الفقد)، وتفريغ التجويف، وقفل النمط.

يُولّد مفتاح الكسب نبضات قصيرة عن طريق تعديل قدرة الضخ. فعلى سبيل المثال، يمكن لأشعة الليزر شبه الموصلة ذات مفتاح الكسب توليد نبضات تتراوح مدتها من بضع نانوثوانٍ إلى مئة بيكوثانية عن طريق تعديل التيار. ورغم انخفاض طاقة النبضة، إلا أن هذه الطريقة تتميز بمرونة عالية، إذ تتيح ضبط تردد التكرار وعرض النبضة. وفي عام ٢٠١٨، أعلن باحثون في جامعة طوكيو عن ليزر شبه موصل يعمل بتقنية مفتاح الكسب في نطاق الفيمتوثانية، ما يمثل إنجازًا هامًا في تجاوز عقبة تقنية استمرت أربعين عامًا.

تُنتج نبضات النانوثانية القوية عادةً بواسطة ليزرات Q-switched، حيث تُصدر هذه النبضات في عدة دورات داخل التجويف، وتتراوح طاقة النبضة بين عدة ملي جول وعدة جول، وذلك تبعًا لحجم النظام. أما نبضات البيكوثانية والفيمتوثانية متوسطة الطاقة (أقل من 1 ميكرو جول عمومًا) فتُنتج بشكل رئيسي بواسطة ليزرات mode-locked. يحتوي رنان الليزر على نبضة واحدة أو أكثر فائقة القصر تتكرر باستمرار. تنقل كل نبضة داخل التجويف نبضة عبر مرآة اقتران الخرج، ويتراوح التردد عمومًا بين 10 ميجاهرتز و100 جيجاهرتز. يوضح الشكل أدناه نبضة سوليتون فيمتوثانية ذات تشتت طبيعي كامل (ANDi) مُبددة للطاقة.جهاز ليزر الألياف، والتي يمكن بناء معظمها باستخدام مكونات Thorlabs القياسية (الألياف والعدسة والحامل وطاولة الإزاحة).

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

نبضات المجال الزمني ومجال التردد
يكون الشكل الخطي للنبضة مع الزمن بسيطًا نسبيًا بشكل عام، ويمكن التعبير عنه بدوال غاوسية و sech². يُعبر عن زمن النبضة (المعروف أيضًا بعرض النبضة) عادةً بقيمة عرض نصف الارتفاع (FWHM)، أي العرض الذي تكون عنده القدرة الضوئية نصف قدرة الذروة على الأقل؛ يُولد ليزر Q-switched نبضات قصيرة نانوثانية من خلال
تُنتج الليزرات ذات النمط المُقفل نبضات فائقة القصر (USP) تتراوح مدتها بين عشرات البيكوثانية والفيمتوثانية. لا تستطيع الإلكترونيات عالية السرعة قياس سوى ما يصل إلى عشرات البيكوثانية، ولا يمكن قياس النبضات الأقصر إلا باستخدام تقنيات بصرية بحتة مثل أجهزة الارتباط الذاتي، وFROG، وSPIDER. في حين أن النبضات التي تبلغ مدتها نانوثانية أو أطول لا يتغير عرضها تقريبًا أثناء انتقالها، حتى عبر مسافات طويلة، فإن النبضات فائقة القصر تتأثر بعوامل عديدة.

قد يؤدي التشتت إلى اتساع كبير في النبضة، ولكن يمكن إعادة ضغطها باستخدام التشتت المعاكس. يوضح الرسم التخطيطي التالي كيف يعوض ضاغط نبضات الفيمتو ثانية من Thorlabs عن تشتت المجهر.

لا تؤثر اللاخطية عادةً بشكل مباشر على عرض النبضة، ولكنها توسع نطاق التردد، مما يجعل النبضة أكثر عرضة للتشتت أثناء الانتشار. يمكن لأي نوع من الألياف، بما في ذلك وسائط التضخيم الأخرى ذات نطاق التردد المحدود، أن يؤثر على شكل نطاق التردد أو النبضة فائقة القصر، وقد يؤدي انخفاض نطاق التردد إلى اتساع زمني. كما توجد حالات يصبح فيها عرض نبضة التردد المتغير بشدة أقصر عندما يضيق الطيف.