مدت زمان پالس

تعربف: مدت زمان یک پالس نوری

 

مدت زمان پالس‌های نور (که عرض پالس یا طول پالس نیز نامیده می‌شود) می‌تواند در ‘گستره وسیعی از مقادیر متفاوت بیان شود:

با تعدیل یک منبع نوری موج پیوسته، به‌عنوان مثال، با یک مدولاتور الکترواپتیک، پالس‌هایی با مدت زمان چند ده پیکوثانیه تا مقادیر دلخواه بیشتر را می‌توان تولید کرد.

سوئیچینگ بهره به‌عنوان مثال لیزر دیودها منجر به پالس‌هایی با مدت زمان کمتر از چند نانوثانیه یا حتی به چند صد پیکو ثانیه می‌شود.

مدت زمان پالس لیزرهای 4Q-سوییچ معمولاً بین 100 پیکوثانیه تا صدها نانوثانیه متغیر است.

لیزرهای مد قفل شده می‌توانند پالس‌هایی با مدت زمان بین 5فمتو ثانیه و صدها پیکو ثانیه تولید کنند.

تولید هارمونیک بالا[1] امکان تشکیل پالس‌های تک آتوثانیه یا قطارهای پالس آتوثانیه را با مدت زمان پالس چند صد آتوثانیه یا حتی زیر 100 می‌دهد.

در اینجا مروری بر پیشوندهای رایج می‌کنیم:

 

تعریف مدت زمان پالس

در واقع تعاریف مختلفی از مدت زمان پالس وجود دارد:

متداول‌ترین تعریف بر اساس پهنای کامل در نصف مقدار بیشینه (FWHM) توان نوری نسبت به زمان است. این تعریف نسبت به برخی از برآمدگیهای ستون شکل ضعیف که اغلب با پالس‌های نوری مشاهده می‌شود حساس نیست.

برای محاسبات مربوط به پالس‌های سالیتون[2]، استفاده از پارامتر مدت زمان τ، که تقریباً برابر طول مدت FWHM تقسیم بر 76/1 می‌باشد، رایج است، زیرا نمایه شدت زمانی را می‌توان به صورت یک ثابت ضربدر sech² (t / τ) توصیف کرد.

برای پروفایل‌های پالس پیچیده، تعریفی که بر اساس گشتاور دوم پروفایل شدت زمانی باشد، مناسب‌تر است. در اینجا، ستون‌های (پالس) ممکن به‌طور قابل ملاحظه‌ای مدت زمان پالس به‌دست آمده را افزایش می‌دهند.

به ویژه در زمینه آسیب‌های القا شده با  لیزر، گاهی اوقات از یک مدت زمان پالس موثر استفاده می‌شود که به عنوان انرژی پالس تقسیم بر توان اوج(قله) تعریف می‌شود.

به‌ویژه در مواردی که ستون‌های پالس قابل توجه هستند، روش‌های مختلف می‌توانند به مقادیر زیادی، مدت زمان پالس متفاوت، منجر شوند.

حاصلضرب زمان – پهنای باند

حاصل ضرب طول پالس و پهنای باند طیفی، حاصلضرب پهنای باند زمان نامیده می‌شود. به‌طور معمول، با استفاده از مقادیر FWHM مدت زمان و پهنای باند محاسبه می‌شود (به بالا مراجعه کنید). بسته به شکل پالس و تعریف دقیق مدت زمان پالس و پهنای باند، این حاصلضرب نمی‌تواند به‌طور قابل توجهی کوچک‌تر از 3/0 باشد. این بدان معنی است که به‌عنوان مثال یک پالس 10فمتوثانیه باید حداقل دارای پهنای باند  THz30 باشد و پالس‌های آتوثانیه آنقدر پهنای باند بزرگی دارند که فرکانس مرکزی آن‌ها باید بسیار بالاتر از هر نور مرئی باشد.

اندازه‌گیری مدت زمان پالس

مدت زمان پالس تا حدود 10 پیکو ثانیه را می‌توان با سریع‌ترین فتودیودهای موجود در ترکیب با اسیلوسکوپ‌های نمونه‌برداری سریع اندازه‌گیری کرد. برای اندازه‌گیری مدت زمان پالس کوتاه‌تر، می‌توان از دوربین‌های نواری[3] استفاده کرد. روش دیگر نمونه‌برداری نوری (یا همبستگی متقاطع)، با استفاده از منبع دیگری است که پالس‌های مرجع کوتاه‌تری تولید می‌کند. با این حال، در بیشتر موارد، از همبسته‌ساز‌های خودکار نوری استفاده می‌شود که نیازی به پالس مرجع ندارند. توجه داشته باشید که تکنیک هایی مانند FROG [4]یا SPIDER ( داخل‌سنجی فاز طیفی) نیز وجود دارد که می‌توان از آن‌ها برای به‌دست آوردن اطلاعات بسیار بیشتری در مورد پالس‌ها نسبت به مثال به‌دست آورد مثلا فقط مدت زمان و انرژی پالس.

پهنای فضایی یک پالس

پهنای فضایی یک پالس در جهت انتشار با سرعت گروه ضرب‌در عرض پالس زمانی محاسبه می‌شود. علی‌رغم سرعت بالای نور، پالس‌های فوق کوتاه می‌توانند در حوزه فضایی نیز بسیار کوتاه باشند. در حالی که به‌عنوان مثال یک پالس 1نانوثانیه همچنان طولی معادل 30 سانتی‌متر در هوا دارد، کوتاه‌ترین پالس‌هایی که می‌توان مستقیماً با لیزر ایجاد کرد – با مدت زمان تقریباً 5 فمتوثانیه- دارای طول فضایی فقط 5/1 میکرومتر در هوا یا خلاء هستند. این تنها با چند طول موج یا به‌طور موقت چند چرخه نوری (پالس‌های چند چرخه) مطابقت دارد.

از آنجا که ابعاد عرضی، که مثلا با شعاع پرتو مشخص می‎شود، معمولاً بسیار بزرگتر از پهنای پالس هستند، پالس‌های چند چرخه‌ای را می‌توان مانند گلوله‌های نورانی به شکل پنکیک تصور کرد. این جنبه مهم است زیرا توضیح می‌دهد به عنوان مثال چرا زمانی که این دستگاه اندازه‌گیری شامل پالس‌هایی است که در یک زاویه قابل توجه از یکدیگر عبور می‌کنند، مدت زمان ظاهری پالس اندازه‌گیری شده با همبسته‌ساز خودکار شدت می‌تواند افزایش یابد.

اثراتی که می‌توانند بر مدت زمان پالس تأثیر بگذارند

در حالی که پالس‌هایی با مدت زمان نانوثانیه یا بیشتر به سختی تغییری در مدت زمان انتشار حتی در فواصل طولانی تجربه می‌کنند، پالس‌های فوق کوتاه به اثرات مختلف حساس هستند:

• پراکندگی رنگی می‌تواند منجر به انبساط بسیار زیاد پالس شود، که با اعمال نوع متضاد پراکندگی (جبران پراکندگی) می‌توان آن را معکوس کرد.
• آثار غیرخطی‌ اپتیکی اغلب مستقیماً بر مدت زمان پالس تأثیر نمی‌گذارند، اما می‌توانند به‌عنوان مثال طیف نوری را گسترش دهند که باعث می شود پالس ها در طول انتشار بعدی به پراکندگی رنگی حساس‌تر شوند.
• هر نوع فیلتر اپتیکی، از جمله یک محیط بهره با پهنای باند بهره محدود، می‌تواند بر عرض طیفی یا شکل یک پالس فوق کوتاه تأثیر بگذارد. هنگامی که عرض طیفی کاهش می‌یابد، این ممکن است به انبساط زمانی منجر شود. با این حال، مواردی وجود دارد که در آن پالس‌های به شدت چهچه‌ای زمانی کوتا‌ه‌تر می‌شوند که عرض طیفی آن‌ها کاهش یابد.

در عملکرد حالت پایا یک لیزر قفل شده، پالس‌های در حال رفت و برگشت اثرات مختلفی را تجربه می‌کنند که بر مدت زمان پالس تأثیر می‌گذارد، اما این اثرات در تعادل هستند، به‌طوری که مدت زمان پالس پس از هر رفت و برگشت بازیابی می‌شود. در برخی از لیزرهای فمتوثانیه، مدت زمان پالس در طول هر سفر رفت و برگشت تشدید‌کننده دستخوش تغییرات اساسی می‌شود.

اثرات مکانی-زمانی

تعریف و اندازه‌گیری مدت زمان پالس در مواردی که ویژگی‌های پالس مکانی و زمانی با یکدیگر جفت می‌شوند، بسیار پیچیده‌تر می‌شود. به‌عنوان مثال، پدیده تیلت جلوی پالس[5] است، که در آن مدت پالس اندازه‌گیری شده در آن ناحیه ممکن است کمتر از مدت زمان پالس بر اساس کل پروفیل پرتو باشد.

 

[1]High harmonic generation: پدیده ای که هارمونیک های بسیار بالایی از یک پرتو لیزر ورودی شدید در یک گاز تولید می شود.

[2]  soliton pulses:پالس‌هایی با تعادل خاصی از اثرات غیرخطی و پراکنده

[3] streak cameras:دستگاه هایی برای اندازه گیری توان یک پالس نوری در مقابل زمان

[4] Frequency-resolved Optical Gatingروشی برای توصیف کامل پالس های نوری فوق کوتاه:

 

[5] pulse front tilt: پدیده ای که زمان رسیدن یک پالس فوق کوتاه در طول نیمرخ پرتو متفاوت است.