摘自激光制造網(wǎng)LaserfairCom

產(chǎn)生激光脈沖最直接的方法是在連續(xù)激光器外部加一個(gè)調(diào)制器。這種方法可產(chǎn)生最快皮秒級(jí)的脈沖，雖然簡(jiǎn)單但會(huì)浪費(fèi)光能并且峰值功率無(wú)法超過(guò)連續(xù)光功率。所以，產(chǎn)生激光脈沖更高效的方法是激光腔內(nèi)調(diào)制，在脈沖串的off-time存儲(chǔ)能量并在on-time釋放。兩種方法的比較如下：

通過(guò)激光腔內(nèi)調(diào)制產(chǎn)生脈沖的四種常用技術(shù)是增益開(kāi)關(guān)、Q開(kāi)關(guān)(損耗開(kāi)關(guān))、腔倒空和鎖模。

•  增益開(kāi)關(guān)通過(guò)調(diào)制泵浦功率產(chǎn)生短脈沖。比如，半導(dǎo)體增益開(kāi)關(guān)激光器通過(guò)電流調(diào)制能夠產(chǎn)生幾納秒到百皮秒的脈沖。雖然脈沖能量低，但是這種方法非常靈活，比如提供可調(diào)重頻和脈寬。東京大學(xué)研究人員于2018年報(bào)導(dǎo)了一種飛秒級(jí)增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器，意味著40年技術(shù)瓶頸的突破。
•  強(qiáng)納秒脈沖一般通過(guò)Q開(kāi)關(guān)激光器產(chǎn)生，激光在腔內(nèi)幾次往返內(nèi)發(fā)射，脈沖能量在幾毫焦到幾焦范圍，具體和系統(tǒng)大小有關(guān)。
•  中等能量(一般在1 μJ以下)皮秒和飛秒脈沖主要通過(guò)鎖模激光器產(chǎn)生，激光共振腔內(nèi)存在連續(xù)循環(huán)的一個(gè)或多個(gè)超短脈沖，腔內(nèi)脈沖每次經(jīng)過(guò)輸出耦合鏡發(fā)射一個(gè)脈沖，重頻一般在10 MHz到100 GHz之間。下圖所示為一種全正常色散(ANDi)耗散孤子飛秒光纖激光器裝置，絕大部分可選用Thorlabs標(biāo)準(zhǔn)組件(光纖、鏡片、安裝座和位移臺(tái))搭建。

腔倒空技術(shù)既可用于Q開(kāi)關(guān)激光器獲得更短的脈沖，也可用于鎖模激光器以較低的重頻提高脈沖能量。

時(shí)域和頻域脈沖

脈沖隨時(shí)間變化的線(xiàn)形一般較為簡(jiǎn)單，可用高斯和sech²函數(shù)表示。脈沖時(shí)間(也稱(chēng)脈寬)最常使用半高寬(FWHM)值表示，即光功率至少為峰值功率一半所跨的寬度；通過(guò)Q開(kāi)關(guān)激光器產(chǎn)生納秒級(jí)短脈沖，通過(guò)鎖模激光器產(chǎn)生幾十皮秒到飛秒級(jí)的超短脈沖(USP)。高速電子學(xué)最快只能測(cè)量幾十皮秒，更短的脈沖只能借助純光學(xué)技術(shù)，比如自相關(guān)儀、FROG和SPIDER。

如果脈沖形狀已知，脈沖能量(Ep)、峰值功率(Pp)和脈寬

其中fs是和脈沖形狀相關(guān)的系數(shù)，對(duì)于高斯脈沖約為0.94，對(duì)于sech²脈沖約為0.88，但是一般情況都以1近似計(jì)算。
脈沖的帶寬可用頻率、波長(zhǎng)或角頻率表示。如果帶寬較小，波長(zhǎng)和頻率帶寬使用下式轉(zhuǎn)換，其中，λ和ν分別是中心波長(zhǎng)和頻率，Δλ和Δν分別是以波長(zhǎng)和頻率表示的帶寬。

帶寬極限脈沖

對(duì)于特定脈沖形狀，脈沖在無(wú)啁啾時(shí)頻譜寬度最小，此時(shí)我們稱(chēng)之為帶寬極限或傅里葉變換極限脈沖，其脈沖時(shí)間和頻率帶寬的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做時(shí)間帶寬積(TBP)。帶寬極限高斯和sech²脈沖的時(shí)間帶寬積分別約為0.441和0.315；據(jù)此也能算出實(shí)際脈沖的啁啾量和累積的群延遲色散。

所以，越窄的脈寬要求越寬的傅里葉頻譜。比如，10 fs脈沖的帶寬至少要達(dá)到30 THz量級(jí)，而阿秒脈沖的帶寬更大，其中心頻率必須遠(yuǎn)高于任何可見(jiàn)光頻率。

脈寬影響因素

雖然納秒或更長(zhǎng)的脈沖在傳播時(shí)脈寬幾乎不會(huì)改變，即使長(zhǎng)距離傳播，但是超短脈沖可能受各種因素影響：

•  色散可能導(dǎo)致很大的脈沖展寬，不過(guò)可用相反的色散重新壓縮，下圖所示為T(mén)horlabs飛秒脈沖壓縮器補(bǔ)償顯微鏡色散的工作原理圖。
•  非線(xiàn)性一般不會(huì)直接影響脈寬，但是會(huì)導(dǎo)帶寬變寬，使脈沖在傳播中更容易受色散影響。
•  任何類(lèi)型的光纖(包括帶寬有限的其它增益介質(zhì))可能影響帶寬或超短脈沖的形狀，而帶寬減小可能導(dǎo)致時(shí)間展寬；也存在強(qiáng)啁啾脈沖在光譜變窄時(shí)脈寬也變短的情形。

來(lái)源：Thorlabs索雷博

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