レーザー パルスを生成する最も簡単な方法は、連続レーザーの外部に変調器を追加することです。 この方法はピコ秒ほどの速さでパルスを生成しますが、単純ですが光エネルギーを無駄にし、ピークパワーは連続光パワーを超えることはできません。 したがって、レーザーパルスを生成するより効率的な方法は、バーストのオフタイムにエネルギーが蓄積され、オンタイムに放出されるイントラキャビティ変調です。
レーザーキャビティ内の変調を通じてパルスを生成するために使用される 4 つの一般的な技術は、ゲインスイッチング、Q スイッチング (損失スイッチング)、キャビティ反転、およびモードロックです。
ゲインスイッチングは、ポンプパワーを変調することによって短いパルスを生成します。 たとえば、ダイオード利得スイッチレーザーは、電流変調を通じて数ナノ秒から 100 ピコ秒の範囲のパルスを生成できます。 パルスエネルギーは低いですが、この方法は非常に柔軟で、たとえば、調整可能な再周波数とパルス幅を提供します。 東京大学の研究者らは 2018 年にフェムト秒の利得スイッチ半導体レーザーを報告し、40- 年に及ぶ技術的ボトルネックの突破口を示しました。
強力なナノ秒パルスは、通常、Q スイッチ レーザーによって生成されます。レーザーは、システムのサイズに応じて、数ミリジュールから数ジュールの範囲のパルス エネルギーで、キャビティ内で数往復以内に放射されます。
中程度のエネルギー (通常 1 μJ 未満) のピコ秒およびフェムト秒のパルスは、主にモードロック レーザーによって生成され、1 つまたは複数の超短パルスがレーザー共振空洞内の連続ループに存在し、空洞内パルスが出力を通じて一度に 1 つずつ放射されます。結合ミラーであり、一般に 10 MHz ～ 100 GHz の範囲の再周波数を備えています。 下の図は、全正常分散(ANDi)散逸ソリトンフェムト秒ファイバーレーザーのセットアップを示しています。このセットアップは、当社の標準コンポーネント(ファイバー、レンズ、マウント、変位ステージ)の大部分を使用して構築できます。
キャビティ反転技術は、Q スイッチ レーザーでより短いパルスを取得する場合と、モードロック レーザーでより低い再周波数でパルス エネルギーを増加させる場合の両方に使用できます。
時間領域および周波数領域のパルス
時間の経過に伴うパルスの線形形状は一般に単純で、ガウス関数および sech² 関数として表現できます。 パルス持続時間 (パルス幅とも呼ばれる) は、ほとんどの場合、半値幅高振幅 (FWHM) 値、つまりピーク パワーの少なくとも半分の光パワーが及ぶ幅として表されます。 短いナノ秒パルスは Q スイッチ レーザーによって生成され、数十ピコ秒からフェムト秒の超短パルス (USP) はモードロック レーザーによって生成されます。 高速エレクトロニクスは最速でも数十ピコ秒しか測定できず、それより短いパルスは自己相関器、FROG、SPIDER などの純粋な光学技術を利用してのみ測定できます。
パルス形状が既知の場合、パルスエネルギー (Ep)、ピークパワー (Pp)、およびパルス幅 (𝜏p) の関係は次の式に従って計算されます。
ここで、fs はパルスの形状に関連する係数で、ガウス パルスの場合は約 {{0}}.94、sech² パルスの場合は 0.88 ですが、通常は 1 で近似されます。
パルスの帯域幅は、周波数、波長、または角周波数の観点から表現できます。 帯域幅が小さい場合、波長帯域幅と周波数帯域幅は次の式を使用して変換されます。ここで、λ と ν はそれぞれ中心波長と周波数、Δλ と Δν はそれぞれ波長と周波数の帯域幅です。
帯域制限パルス
特定のパルス形状では、チャープがない場合、パルスのスペクトル幅は最小になります。これは、帯域幅制限パルスまたはフーリエ変換制限パルスと呼ばれます。ここで、パルス時間と周波数帯域幅の積は定数です。時間帯域幅積 (TBP) と呼ばれます。 パルス時間と周波数帯域幅の積は、時間帯域幅積 (TBP) と呼ばれる定数です。 帯域幅制限されたガウス パルスと sech² パルスの時間帯域幅積は、それぞれ約 0.441 と 0.315 です。 パルスの実際のチャープと累積群遅延分散はこれから計算できます。
したがって、パルス幅が狭いほど、より広いフーリエ スペクトルが必要になります。 たとえば、10 fs パルスの帯域幅は少なくとも 30 THz 程度である必要がありますが、アト秒パルスの帯域幅はさらに大きく、その中心周波数は可視光周波数よりもはるかに高くなければなりません。
パルス幅に影響を与える要因
ナノ秒以上のパルスは、長距離であってもパルス幅がほとんどまたはまったく変化せずに伝播しますが、超短パルスはさまざまな要因の影響を受ける可能性があります。
波長分散は大きなパルス拡散を引き起こす可能性がありますが、下図に示すように、逆の分散で再圧縮することは可能ですが、顕微鏡分散を補償する当社のフェムト秒パルス圧縮器の仕組みを示しています。
非線形性は通常、パルス幅に直接影響しませんが、帯域幅が広くなり、伝播中のパルスが分散しやすくなる可能性があります。
どのタイプのファイバー（帯域幅が制限された他の利得媒体を含む）も帯域幅や超短パルスの形状に影響を与える可能性があり、帯域幅の減少は時間の広がりにつながる可能性があります。 また、スペクトルが狭くなるにつれて、強くチャープされたパルスのパルス幅が短くなる場合もあります。
