La méthode la plus simple pour générer des impulsions laser consiste à ajouter un modulateur externe au laser continu. Cette méthode produit des impulsions aussi rapides que les picosecondes, ce qui est simple mais gaspille de l'énergie optique, et la puissance maximale ne peut pas dépasser la puissance optique continue. Par conséquent, une méthode plus efficace pour générer des impulsions laser est la modulation intracavité, où l’énergie est stockée au moment de la rafale et libérée au moment de l’activation.
Les quatre techniques courantes utilisées pour générer des impulsions par modulation dans la cavité laser sont la commutation de gain, la commutation Q (commutation de perte), l'inversion de cavité et le verrouillage de mode.
La commutation de gain génère de courtes impulsions en modulant la puissance de la pompe. Par exemple, les lasers à commutation de gain de diode sont capables de générer des impulsions allant de quelques nanosecondes à une centaine de picosecondes grâce à la modulation de courant. Bien que l'énergie d'impulsion soit faible, cette méthode est très flexible, par exemple en fournissant une nouvelle fréquence et une largeur d'impulsion réglables. Des chercheurs de l'Université de Tokyo ont signalé un laser à semi-conducteur femtoseconde à gain commuté en 2018, signalant une percée dans un goulot d'étranglement technologique de 40- ans.
De fortes impulsions nanosecondes sont généralement générées par les lasers à commutation Q, où le laser est émis en quelques allers-retours à l'intérieur de la cavité, avec des énergies d'impulsion comprises entre quelques millijoules et quelques joules, selon la taille du système.
Les impulsions picoseconde et femtoseconde d'énergie modérée (généralement inférieure à 1 μJ) sont générées principalement par des lasers à mode verrouillé, avec une ou plusieurs impulsions ultracourtes présentes dans une boucle continue dans la cavité résonante du laser, les impulsions intracavité étant émises une à la fois via la sortie. miroir de couplage, et avec une re-fréquence généralement comprise entre 10 MHz et 100 GHz. La figure ci-dessous montre une configuration laser à fibre femtoseconde soliton dissipative à dispersion entièrement normale (ANDi), qui peut être construite avec une grande majorité des composants standard de Thorlabs (fibre, lentille, monture et étage de déplacement).
Les techniques d'inversion de cavité peuvent être utilisées à la fois pour les lasers à commutation Q pour obtenir des impulsions plus courtes et pour les lasers à mode verrouillé pour augmenter l'énergie des impulsions à une re-fréquence inférieure.
Impulsions dans les domaines temporel et fréquentiel
La forme linéaire d'une impulsion dans le temps est généralement simple et peut être exprimée sous forme de fonction gaussienne et sech². La durée de l'impulsion (également connue sous le nom de largeur d'impulsion) est le plus souvent exprimée sous la forme d'une valeur de demi-largeur haute magnitude (FWHM), c'est-à-dire la largeur couverte par une puissance optique d'au moins la moitié de la puissance de crête ; des impulsions courtes de l'ordre de la nanoseconde sont produites par des lasers à commutation Q, et des impulsions ultracourtes (USP) de quelques dizaines de picosecondes à femtosecondes sont produites par des lasers à mode verrouillé. L'électronique à grande vitesse ne peut mesurer que quelques dizaines de picosecondes au maximum, et des impulsions plus courtes ne peuvent être mesurées qu'à l'aide de techniques purement optiques telles que les autocorrélateurs, les FROG et les SPIDER.
Si la forme de l'impulsion est connue, la relation entre l'énergie de l'impulsion (Ep), la puissance de crête (Pp) et la largeur de l'impulsion (𝜏p) est calculée selon l'équation suivante :
où fs est un coefficient lié à la forme de l'impulsion, qui est d'environ {{0}},94 pour les impulsions gaussiennes et 0,88 pour les impulsions sech² mais est généralement approximé par 1.
La bande passante de l'impulsion peut être exprimée en termes de fréquence, de longueur d'onde ou de fréquence angulaire. Si la bande passante est petite, les bandes passantes de longueur d'onde et de fréquence sont converties à l'aide de l'équation suivante, où λ et ν sont respectivement la longueur d'onde et la fréquence centrales, et Δλ et Δν sont respectivement la bande passante en longueur d'onde et en fréquence.
Impulsion de limite de bande passante
Pour une forme d'impulsion particulière, l'impulsion a la plus petite largeur spectrale en l'absence de chirp, appelée impulsion à largeur de bande limitée ou impulsion à transformée de Fourier limitée, où le produit du temps d'impulsion et de la bande de fréquence est une constante, qui est appelé produit temps-bande passante (TBP). Le produit du temps d'impulsion et de la bande passante de fréquence est une constante appelée produit temps-bande passante (TBP). Les produits temps-bande passante des impulsions gaussiennes et sech² à bande passante limitée sont respectivement d'environ 0,441 et 0,315 ; le gazouillis réel de l'impulsion et la dispersion cumulée du retard de groupe peuvent être calculés à partir de cela.
Par conséquent, des largeurs d’impulsion plus étroites nécessitent des spectres de Fourier plus larges. Par exemple, une impulsion de 10 fs doit avoir une bande passante d'au moins de l'ordre de 30 THz, tandis qu'une impulsion attoseconde a une bande passante encore plus grande et sa fréquence centrale doit être bien supérieure à toute fréquence de lumière visible.
Facteurs affectant la largeur d'impulsion
Alors que les impulsions nanosecondes ou plus se propagent avec peu ou pas de changement dans la largeur d'impulsion, même sur de longues distances, les impulsions ultracourtes peuvent être affectées par divers facteurs :
La dispersion chromatique peut conduire à de larges écarts d'impulsions, bien qu'elles puissent être recomprimées avec la dispersion opposée, comme le montre le diagramme ci-dessous, qui illustre le fonctionnement du compresseur d'impulsions femtoseconde Thorlabs pour compenser la dispersion du microscope.
Les non-linéarités n'affectent généralement pas directement la largeur d'impulsion, mais elles peuvent conduire à des bandes passantes plus larges et rendre l'impulsion plus sensible à la dispersion lors de la propagation.
Tout type de fibre (y compris d'autres supports à gain avec une bande passante limitée) peut affecter la bande passante ou la forme de l'impulsion ultracourte, et une réduction de la bande passante peut conduire à un élargissement du temps ; il existe également des cas où les impulsions fortement gazouillées ont des largeurs d'impulsion plus courtes à mesure que le spectre se rétrécit.
