O método mais simples de gerar pulsos de laser é adicionar um modulador externo ao laser contínuo. Este método produz pulsos tão rápidos quanto picossegundos, o que é simples, mas desperdiça energia óptica, e a potência de pico não pode exceder a potência óptica contínua. Portanto, um método mais eficiente de geração de pulsos de laser é a modulação intracavitária, onde a energia é armazenada no tempo desligado da explosão e liberada no tempo ligado.
As quatro técnicas comuns usadas para gerar pulsos através da modulação dentro da cavidade do laser são comutação de ganho, comutação Q (comutação de perda), inversão de cavidade e bloqueio de modo.
A comutação de ganho gera pulsos curtos modulando a potência da bomba. Por exemplo, lasers comutados por ganho de diodo são capazes de gerar pulsos na faixa de alguns nanossegundos a cem picossegundos por meio de modulação de corrente. Embora a energia do pulso seja baixa, este método é muito flexível, por exemplo, fornecendo reffrequência e largura de pulso sintonizáveis. Pesquisadores da Universidade de Tóquio relataram um laser semicondutor com comutação de ganho de femtossegundos em 2018, sinalizando um avanço em um gargalo tecnológico de 40-ano.
Pulsos fortes de nanossegundos são normalmente gerados por lasers Q-switched, onde o laser é emitido dentro de algumas viagens de ida e volta dentro da cavidade, com energias de pulso na faixa de alguns milijoules a alguns joules, dependendo do tamanho do sistema.
Pulsos de picossegundo e femtosegundo de energia moderada (geralmente abaixo de 1 μJ) são gerados principalmente por lasers de modo bloqueado, com um ou mais pulsos ultracurtos presentes em um loop contínuo dentro da cavidade ressonante do laser, com os pulsos intracavitários emitidos um de cada vez através da saída espelho de acoplamento e com uma reffrequência que geralmente está na faixa de 10 MHz a 100 GHz. A figura abaixo mostra uma configuração de laser de fibra dissipativa soliton femtosegundo de dispersão totalmente normal (ANDi), que pode ser construída com a grande maioria dos componentes padrão da Thorlabs (fibra, lente, montagem e estágio de deslocamento).
Técnicas de inversão de cavidade podem ser usadas tanto para lasers Q-switched para obter pulsos mais curtos quanto para lasers de modo bloqueado para aumentar a energia do pulso em uma reffrequência mais baixa.
Pulsos no domínio do tempo e da frequência
A forma linear de um pulso ao longo do tempo é geralmente simples e pode ser expressa como funções gaussianas e sech². A duração do pulso (também conhecida como largura de pulso) é mais frequentemente expressa como um valor de meia largura de alta magnitude (FWHM), ou seja, a largura abrangida por uma potência óptica de pelo menos metade da potência de pico; pulsos curtos de nanossegundos são produzidos por lasers Q-switched, e pulsos ultracurtos (USPs) de algumas dezenas de picossegundos a femtossegundos são produzidos por lasers de modo bloqueado. A eletrônica de alta velocidade pode medir apenas algumas dezenas de picossegundos no máximo, e pulsos mais curtos só podem ser medidos com a ajuda de técnicas puramente ópticas, como autocorreladores, FROGs e SPIDERs.
Se o formato do pulso for conhecido, a relação entre a energia do pulso (Ep), a potência de pico (Pp) e a largura do pulso (𝜏p) é calculada de acordo com a seguinte equação:
onde fs é um coeficiente relacionado ao formato do pulso, que é aproximadamente {{0}},94 para pulsos gaussianos e 0,88 para pulsos sech², mas geralmente é aproximado por 1.
A largura de banda do pulso pode ser expressa em termos de frequência, comprimento de onda ou frequência angular. Se a largura de banda for pequena, as larguras de banda de comprimento de onda e frequência são convertidas usando a seguinte equação, onde λ e ν são o comprimento de onda central e a frequência, respectivamente, e Δλ e Δν são a largura de banda em comprimento de onda e frequência, respectivamente.
Pulso de limite de largura de banda
Para um formato de pulso específico, o pulso tem a menor largura espectral na ausência de chirp, que é chamado de pulso limitado por largura de banda ou limitado por transformada de Fourier, onde o produto do tempo de pulso e largura de banda de frequência é uma constante, que é chamado de produto tempo-largura de banda (TBP). O produto do tempo de pulso e da largura de banda de frequência é uma constante chamada produto tempo-largura de banda (TBP). Os produtos tempo-largura de banda dos pulsos gaussianos e sech² com largura de banda limitada são cerca de 0,441 e 0,315, respectivamente; o chiado real do pulso e a dispersão cumulativa do atraso do grupo podem ser calculados a partir disso.
Portanto, larguras de pulso mais estreitas requerem espectros de Fourier mais amplos. Por exemplo, um pulso de 10 fs deve ter uma largura de banda de pelo menos 30 THz, enquanto um pulso de attossegundos tem uma largura de banda ainda maior, e sua frequência central deve estar bem acima de qualquer frequência de luz visível.
Fatores que afetam a largura do pulso
Embora os pulsos de nanossegundos ou mais se propaguem com pouca ou nenhuma alteração na largura do pulso, mesmo em longas distâncias, os pulsos ultracurtos podem ser afetados por uma variedade de fatores:
A dispersão cromática pode levar a grandes espalhamentos de pulso, embora possam ser recomprimidos com a dispersão oposta, conforme mostrado no diagrama abaixo, que ilustra o funcionamento do compressor de pulso de femtosegundo Thorlabs para compensar a dispersão do microscópio.
As não linearidades geralmente não afetam diretamente a largura do pulso, mas podem levar a larguras de banda mais amplas e tornar o pulso mais suscetível à dispersão na propagação.
Qualquer tipo de fibra (incluindo outros meios de ganho com largura de banda limitada) pode afetar a largura de banda ou o formato do pulso ultracurto, e uma redução na largura de banda pode levar ao alargamento do tempo; também há casos em que pulsos com chilreio forte têm larguras de pulso mais curtas à medida que o espectro se estreita.
