레이저 펄스를 생성하는 가장 간단한 방법은 연속 레이저 외부에 변조기를 추가하는 것입니다. 이 방법은 피코초만큼 빠른 펄스를 생성하는데, 이는 간단하지만 광에너지를 낭비하고, 피크 전력이 연속 광전력을 초과할 수 없습니다. 따라서 레이저 펄스를 생성하는 보다 효율적인 방법은 에너지가 버스트의 오프 타임에 저장되고 온 타임에 방출되는 공동 내 변조입니다.
레이저 공동 내에서 변조를 통해 펄스를 생성하는 데 사용되는 네 가지 일반적인 기술은 이득 전환, Q-스위칭(손실 전환), 공동 반전 및 모드 잠금입니다.
이득 전환은 펌프 전력을 변조하여 짧은 펄스를 생성합니다. 예를 들어, 다이오드 이득 전환 레이저는 전류 변조를 통해 수 나노초에서 수백 피코초 범위의 펄스를 생성할 수 있습니다. 펄스 에너지는 낮지만 이 방법은 조정 가능한 재주파수 및 펄스 폭을 제공하는 등 매우 유연합니다. 도쿄 대학의 연구원들은 2018년에 펨토초 이득 전환 반도체 레이저를 보고했는데, 이는 40-년간의 기술 병목 현상을 돌파할 수 있는 신호탄이었습니다.
강한 나노초 펄스는 일반적으로 Q 스위치 레이저에 의해 생성됩니다. 여기서 레이저는 시스템 크기에 따라 몇 밀리줄에서 몇 줄 범위의 펄스 에너지를 사용하여 캐비티 내부에서 몇 번의 왕복 내에 방출됩니다.
적당한 에너지(일반적으로 1μJ 미만) 피코초 및 펨토초 펄스는 주로 모드 잠금 레이저에 의해 생성됩니다. 레이저 공진 공동 내의 연속 루프에 하나 이상의 초단 펄스가 존재하며 공동 내 펄스는 출력을 통해 한 번에 하나씩 방출됩니다. 커플링 미러 및 일반적으로 10MHz ~ 100GHz 범위의 재주파수를 사용합니다. 아래 그림은 대부분의 Thorlabs 표준 구성 요소(파이버, 렌즈, 마운트 및 변위 스테이지)로 구축할 수 있는 모든 정상 분산(ANDi) 소산 솔리톤 펨토초 파이버 레이저 설정을 보여줍니다.
공동 반전 기술은 더 짧은 펄스를 얻기 위한 Q 스위치 레이저와 더 낮은 재주파수에서 펄스 에너지를 증가시키기 위한 모드 잠금 레이저 모두에 사용될 수 있습니다.
시간 및 주파수 영역 펄스
시간에 따른 펄스의 선형 형태는 일반적으로 단순하며 가우스 및 sech² 함수로 표현될 수 있습니다. 펄스 지속 시간(펄스 폭이라고도 함)은 가장 흔히 반폭-고진폭(FWHM) 값, 즉 최소 피크 전력의 절반에 해당하는 광 전력에 해당하는 폭으로 표현됩니다. 짧은 나노초 펄스는 Q 스위치 레이저에 의해 생성되고, 수십 피코초에서 펨토초까지의 초단 펄스(USP)는 모드 잠금 레이저에 의해 생성됩니다. 고속 전자 장치는 가장 빠른 속도에서 수십 피코초만 측정할 수 있으며, 더 짧은 펄스는 자동 상관기, FROG 및 SPIDER와 같은 순수 광학 기술의 도움을 통해서만 측정할 수 있습니다.
펄스 형태가 알려진 경우 펄스 에너지(Ep), 피크 전력(Pp) 및 펄스 폭(𝜏p) 간의 관계는 다음 방정식에 따라 계산됩니다.
여기서 fs는 펄스의 형태와 관련된 계수로, 가우스 펄스의 경우 대략 {{0}}.94이고 sech² 펄스의 경우 0.88이지만 일반적으로 1로 근사됩니다.
펄스의 대역폭은 주파수, 파장 또는 각주파수로 표현될 수 있습니다. 대역폭이 작은 경우에는 다음 식을 사용하여 파장과 주파수 대역폭을 변환합니다. 여기서 λ와 ν는 각각 중심 파장과 주파수이고, Δλ와 Δν는 각각 파장과 주파수에서의 대역폭입니다.
대역폭 제한 펄스
특정 펄스 형태의 경우 펄스는 처프가 없는 경우 가장 작은 스펙트럼 폭을 가지며, 이를 대역폭 제한 또는 푸리에 변환 제한 펄스라고 합니다. 여기서 펄스 시간과 주파수 대역폭의 곱은 다음과 같습니다. 시간-대역폭 곱(TBP)이라고 합니다. 펄스 시간과 주파수 대역폭의 곱은 시간-대역폭 곱(TBP)이라고 불리는 상수입니다. 대역폭이 제한된 가우스 및 sech² 펄스의 시간 대역폭 곱은 각각 약 0.441 및 0.315입니다. 펄스의 실제 처프와 누적 군지연 분산은 이를 통해 계산할 수 있습니다.
따라서 펄스 폭이 더 좁을수록 더 넓은 푸리에 스펙트럼이 필요합니다. 예를 들어, 10fs 펄스는 최소한 30THz 정도의 대역폭을 가져야 하는 반면, 아토초 펄스는 훨씬 더 큰 대역폭을 가지며 중심 주파수는 가시광선 주파수보다 훨씬 높아야 합니다.
펄스 폭에 영향을 미치는 요인
나노초 이상의 펄스는 펄스 폭의 변화가 거의 또는 전혀 없이 전파되지만, 장거리에서도 초단 펄스는 다양한 요인의 영향을 받을 수 있습니다.
현미경 분산을 보상하기 위한 Thorlabs Femtosecond Pulse Compressor의 작동을 보여주는 아래 다이어그램에 표시된 것처럼 색 분산은 반대 분산으로 재압축될 수 있지만 큰 펄스 확산으로 이어질 수 있습니다.
비선형성은 일반적으로 펄스 폭에 직접적인 영향을 미치지 않지만 대역폭이 더 넓어지고 펄스가 전파 시 분산에 더 취약해질 수 있습니다.
모든 유형의 광섬유(제한된 대역폭을 갖는 기타 이득 매체 포함)는 대역폭이나 초단 펄스의 모양에 영향을 미칠 수 있으며, 대역폭이 감소하면 시간 확장이 발생할 수 있습니다. 스펙트럼이 좁아짐에 따라 강하게 처프된 펄스의 펄스 폭이 짧아지는 경우도 있습니다.
