Phương pháp đơn giản nhất để tạo xung laser là thêm bộ điều biến bên ngoài vào laser liên tục. Phương pháp này tạo ra các xung có tốc độ nhanh như pico giây, đơn giản nhưng lãng phí năng lượng quang học và công suất cực đại không thể vượt quá công suất quang liên tục. Do đó, một phương pháp tạo xung laser hiệu quả hơn là điều chế nội khoang, trong đó năng lượng được lưu trữ vào thời điểm không xảy ra vụ nổ và giải phóng vào thời điểm đúng giờ.
Bốn kỹ thuật phổ biến được sử dụng để tạo xung thông qua điều chế trong khoang laser là chuyển mạch khuếch đại, chuyển mạch Q (chuyển mạch mất mát), đảo ngược khoang và khóa chế độ.
Chuyển mạch khuếch đại tạo ra các xung ngắn bằng cách điều chỉnh công suất bơm. Ví dụ, laser chuyển mạch khuếch đại điốt có khả năng tạo ra các xung trong khoảng từ vài nano giây đến một trăm picos giây thông qua điều chế dòng điện. Mặc dù năng lượng xung thấp nhưng phương pháp này rất linh hoạt, chẳng hạn như cung cấp tần số lại và độ rộng xung có thể điều chỉnh được. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đã báo cáo về laser bán dẫn chuyển đổi mức tăng femto giây vào năm 2018, báo hiệu một bước đột phá trong nút thắt công nghệ trong 40-năm.
Các xung nano giây mạnh thường được tạo ra bởi các laser Q-switched, trong đó tia laser được phát ra trong một vài chuyến đi vòng bên trong hộp, với năng lượng xung trong khoảng từ vài milijoule đến vài joules, tùy thuộc vào kích thước của hệ thống.
Các xung picosecond và femto giây năng lượng vừa phải (thường dưới 1 μJ) được tạo ra chủ yếu bằng các xung laser bị khóa chế độ, với một hoặc nhiều xung siêu ngắn xuất hiện trong một vòng lặp liên tục bên trong khoang cộng hưởng laser, với các xung trong khoang phát ra từng xung một qua đầu ra gương ghép và có tần số tái thường nằm trong khoảng từ 10 MHz đến 100 GHz. Hình bên dưới cho thấy thiết lập laser sợi quang soliton femto giây phân tán hoàn toàn bình thường (ANDi), có thể được chế tạo với phần lớn các thành phần tiêu chuẩn của Thorlabs (sợi quang, thấu kính, ngàm và bệ dịch chuyển).
Kỹ thuật đảo ngược khoang có thể được sử dụng cho cả laser Q-switched để thu được các xung ngắn hơn và cho laser khóa chế độ để tăng năng lượng xung ở tần số lại thấp hơn.
Xung miền thời gian và tần số
Hình dạng tuyến tính của xung theo thời gian nói chung là đơn giản và có thể được biểu thị dưới dạng hàm Gaussian và sech². Độ rộng xung (còn được gọi là độ rộng xung) thường được biểu thị dưới dạng giá trị nửa độ rộng độ cao (FWHM), tức là độ rộng được kéo dài bởi công suất quang ít nhất bằng một nửa công suất cực đại; các xung nano giây ngắn được tạo ra bởi laser chuyển mạch Q, và các xung siêu ngắn (USP) từ vài chục pico giây đến femto giây được tạo ra bởi laser khóa chế độ. Thiết bị điện tử tốc độ cao chỉ có thể đo nhanh nhất vài chục pico giây và các xung ngắn hơn chỉ có thể được đo với sự trợ giúp của các kỹ thuật quang học thuần túy như bộ tự tương quan, FROG và SPIDER.
Nếu biết dạng xung, mối quan hệ giữa năng lượng xung (Ep), công suất cực đại (Pp) và độ rộng xung (𝜏p) được tính theo phương trình sau:
trong đó fs là hệ số liên quan đến hình dạng của xung, xấp xỉ {{0}},94 đối với xung Gaussian và 0,88 đối với xung sech² nhưng thường xấp xỉ bằng 1.
Băng thông của xung có thể được biểu thị dưới dạng tần số, bước sóng hoặc tần số góc. Nếu băng thông nhỏ, băng thông bước sóng và tần số được chuyển đổi bằng phương trình sau, trong đó λ và ν lần lượt là bước sóng và tần số trung tâm, còn Δλ và Δν lần lượt là băng thông tính theo bước sóng và tần số.
Xung giới hạn băng thông
Đối với một dạng xung cụ thể, xung có độ rộng phổ nhỏ nhất khi không có chirp, được gọi là xung giới hạn băng thông hoặc xung giới hạn biến đổi Fourier, trong đó tích của thời gian xung và băng thông tần số là một hằng số, tức là được gọi là tích băng thông thời gian (TBP). Tích của thời gian xung và băng thông tần số là một hằng số được gọi là tích băng thông thời gian (TBP). Tích băng thông theo thời gian của các xung Gaussian và sech² bị giới hạn băng thông lần lượt là khoảng 0.441 và 0.315; tiếng kêu thực tế của xung và độ phân tán độ trễ nhóm tích lũy có thể được tính toán từ điều này.
Do đó, độ rộng xung hẹp hơn đòi hỏi phổ Fourier rộng hơn. Ví dụ: xung 10 fs phải có băng thông ít nhất là khoảng 30 THz, trong khi xung atto giây thậm chí còn có băng thông lớn hơn và tần số trung tâm của nó phải cao hơn nhiều so với bất kỳ tần số ánh sáng khả kiến nào.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ rộng xung
Trong khi các xung nano giây hoặc dài hơn lan truyền với ít hoặc không có sự thay đổi về độ rộng xung, thậm chí trên khoảng cách xa, các xung cực ngắn có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau:
Phân tán màu có thể dẫn đến sự trải rộng xung lớn, mặc dù chúng có thể được nén lại bằng sự phân tán ngược lại, như thể hiện trong sơ đồ bên dưới, minh họa hoạt động của Máy nén xung Thorlabs Femtosecond để bù cho sự phân tán của kính hiển vi.
Sự phi tuyến thường không ảnh hưởng trực tiếp đến độ rộng xung, nhưng chúng có thể dẫn đến băng thông rộng hơn và làm cho xung dễ bị phân tán hơn khi truyền.
Bất kỳ loại sợi nào (bao gồm cả phương tiện khuếch đại khác có băng thông hạn chế) đều có thể ảnh hưởng đến băng thông hoặc hình dạng của xung siêu ngắn và việc giảm băng thông có thể dẫn đến việc mở rộng thời gian; cũng có những trường hợp xung chir mạnh có độ rộng xung ngắn hơn khi phổ thu hẹp.
