השיטה הפשוטה ביותר להפקת פולסי לייזר היא הוספת אפנן חיצוני ללייזר הרציף. שיטה זו מפיקה פולסים במהירות כמו פיקו-שניות, שהיא פשוטה אך מבזבזת אנרגיה אופטית, ושיא ההספק אינו יכול לחרוג מההספק האופטי הרציף. לכן, שיטה יעילה יותר להפקת פולסי לייזר היא אפנון תוך-חלל, שבו האנרגיה מאוחסנת בזמן הכיבוי של ההתפרצות ומשתחררת בזמן הדלקה.
ארבע הטכניקות הנפוצות המשמשות ליצירת פולסים באמצעות אפנון בתוך חלל הלייזר הן מיתוג רווח, מיתוג Q (מיתוג הפסד), היפוך חלל ונעילת מצבים.
מיתוג רווח יוצר פולסים קצרים על ידי אפנון כוח המשאבה. לדוגמה, לייזרים עם מיתוג רווח דיודה מסוגלים לייצר פולסים בטווח של כמה ננו-שניות עד מאה פיקו-שניות באמצעות אפנון זרם. למרות שאנרגיית הפולסים נמוכה, שיטה זו גמישה מאוד, למשל, מספקת תדר חוזר ורוחב הפולסים הניתנים לכוונון. חוקרים מאוניברסיטת טוקיו דיווחו על לייזר מוליכים למחצה עם מיתוג רווח של פמט שנייה בשנת 2018, המסמל פריצת דרך בצוואר בקבוק טכנולוגי של 40-שנה.
פולסים חזקים של ננו-שניות נוצרים בדרך כלל על ידי לייזרים בעלי מיתוג Q, כאשר הלייזר נפלט תוך כמה נסיעות הלוך ושוב בתוך החלל, עם אנרגיות פולסים בטווח של כמה מיליג'אול עד כמה ג'אול, תלוי בגודל המערכת.
אנרגיה מתונה (בדרך כלל מתחת ל-1 μJ) פולסים של פיקו-שנייה ופמט-שנייה נוצרים בעיקר על-ידי לייזרים נעולים במצב, עם פולסים אולטרה-קצרים אחד או יותר הנמצאים בלולאה רציפה בתוך חלל התהודה של הלייזר, כאשר הפולסים התוך-חלליים נפלטים אחד בכל פעם דרך הפלט מראת צימוד, ועם תדר מחדש שהוא בדרך כלל בטווח של 10 מגה-הרץ עד 100 גיגה-הרץ. האיור שלהלן מציג מערך לייזר סיבי סיבי פמט שנייה (ANDi) פיזור כל-נורמלי, שניתן לבנות עם רוב גדול של הרכיבים הסטנדרטיים של Thorlabs (סיבים, עדשה, הרכבה ושלב העקירה).
ניתן להשתמש בטכניקות היפוך חלל הן עבור לייזרים עם מתג Q כדי להשיג פולסים קצרים יותר והן עבור לייזרים נעולים במצב כדי להגביר את אנרגיית הפולסים בתדר חוזר נמוך יותר.
פעימות דומיין זמן ותדירות
הצורה הליניארית של דופק לאורך זמן היא בדרך כלל פשוטה וניתן לבטא אותה כפונקציה גאוסית ו-Sech². משך הפולס (המכונה גם רוחב הפולס) מתבטא לרוב כערך חצי רוחב-גבוהה (FWHM), כלומר הרוחב המתפרש בהספק אופטי של לפחות מחצית מהספק השיא; פולסים קצרים של ננו-שניות מופקים על-ידי לייזרים עם מיתוג Q, ופולסים אולטרה-שורטים (USP) של כמה עשרות פיקו-שניות עד פמט-שניות מופקים על-ידי לייזרים נעולים במצב. אלקטרוניקה במהירות גבוהה יכולה למדוד רק כמה עשרות פיקו-שניות במהירות המהירה ביותר, וניתן למדוד פולסים קצרים יותר רק בעזרת טכניקות אופטיות גרידא כמו אוטוקורלטורים, FROGs ו-SPIDERs.
אם צורת הדופק ידועה, הקשר בין אנרגיית הדופק (Ep), הספק שיא (Pp) ורוחב הדופק (𝜏p) מחושב לפי המשוואה הבאה:
כאשר fs הוא מקדם הקשור לצורת הפולסים, שהוא בערך {{0}}.94 עבור פולסים גאוסים ו-0.88 עבור פולסים של sech², אך בדרך כלל מוערך ב-1.
רוחב הפס של הפולס יכול להתבטא במונחים של תדר, אורך גל או תדר זוויתי. אם רוחב הפס קטן, רוחבי הפס של אורך הגל והתדר מומרים באמצעות המשוואה הבאה, כאשר λ ו-ν הם אורך הגל והתדר המרכזי, בהתאמה, ו-Δλ ו-Δν הם רוחב הפס באורך הגל ובתדר, בהתאמה.
דופק הגבלת רוחב פס
עבור צורת פולס מסוימת, לפולס יש את הרוחב הספקטרלי הקטן ביותר בהיעדר ציוץ, הנקרא הפולס מוגבל רוחב הפס או ה-Fourier-transform-limited, כאשר המכפלה של זמן הפולס ורוחב הפס של התדר הוא קבוע, שהוא קבוע. נקרא מוצר רוחב הפס בזמן (TBP). המכפלה של זמן הפולסים ורוחב הפס הוא קבוע הנקרא תוצר רוחב הפס של זמן (TBP). תוצרי רוחב הפס בזמן של הפולסים גאוסים ו-sech² המוגבלים ברוחב הפס הם בערך 0.441 ו-0.315, בהתאמה; מכאן ניתן לחשב את הציוץ האמיתי של הדופק ואת פיזור ההשהיה המצטבר של הקבוצה.
לכן, רוחבי פולסים צרים יותר דורשים ספקטרום פורייה רחב יותר. לדוגמה, לפולס של 10 fs חייב להיות רוחב פס בסדר גודל של לפחות 30 THz, בעוד לפולס attosecond יש רוחב פס גדול עוד יותר, והתדר המרכזי שלו חייב להיות הרבה מעל כל תדר אור נראה.
גורמים המשפיעים על רוחב הדופק
בעוד שפולסים של ננו-שנייה או יותר מתפשטים עם שינוי קטן או ללא שינוי ברוחב הדופק, אפילו למרחקים ארוכים, פולסים קצרים במיוחד יכולים להיות מושפעים ממגוון גורמים:
פיזור כרומטי יכול להוביל לפיזור דופק גדול, אם כי ניתן לדחוס אותם מחדש עם פיזור הפוך, כפי שמוצג בתרשים שלהלן, הממחיש את פעולתו של מדחס הדופק של Thorlabs Femtosecond כדי לפצות על פיזור המיקרוסקופ.
אי-לינאריות בדרך כלל אינן משפיעות ישירות על רוחב הדופק, אך הן יכולות להוביל לרוחבי פס רחבים יותר ולהפוך את הדופק רגיש יותר לפיזור בהתפשטות.
כל סוג של סיב (כולל אמצעי רווח אחר עם רוחב פס מוגבל) עלול להשפיע על רוחב הפס או על צורת הפולס האולטרה-קצר, והפחתה ברוחב הפס עלולה להוביל להרחבת הזמן; ישנם גם מקרים שבהם לפולסים מצייצים חזק יש רוחב פולס קצר יותר ככל שהספקטרום מצטמצם.
