Пикосекундные лазерные системы являются лазером , который излучает оптические импульсы с длительностью от 1 и (обычно) несколько десятков пикосекунд. Он , таким образом , также относится к категории сверхбыстрых лазеров или сверхкоротких импульсных лазеров .

Множество типов лазеров могут генерировать пикосекундные импульсы, при этом другие рабочие параметры меняются в широких пределах:

Наиболее распространенными источниками являются твердотельные объемные лазеры с активной или пассивной синхронизацией мод . Они могут обеспечивать очень чистые ( ограниченные преобразованием и малошумящие ) ультракороткие импульсы с частотой следования импульсов от нескольких мегагерц до более 100 ГГц. Волоконные лазеры с синхронизацией мод также могут охватывать широкий диапазон частот повторения от нескольких мегагерц до более 100 ГГц (с гармонической синхронизацией мод ).

Более низкие частоты повторения возможны с помощью дополнительного устройства для сбора импульсов, а также позволяют усиление до более высоких энергий импульса, например, с помощью регенеративного усилителя , возможно, с использованием усиления чирпированных импульсов . Другой вариант – сброс резонатора лазера с синхронизацией мод.Лазерные диоды могут иметь синхронизацию мод для генерации пикосекундных импульсов (→ диодные лазеры с синхронизацией мод ). Это приводит к созданию компактных источников с типичной частотой следования импульсов от 1 ГГц до сотен гигагерц. Однако энергия импульса сильно ограничена, и качество импульса не всегда высокое.Лазерные диоды также могут переключаться по усилению с помощью тщательно спроектированной электроники для достижения длительности импульса значительно меньше 1 нс, а иногда даже меньше 100 пс. Это приводит к очень компактным и потенциально дешевым источникам, а еще одним преимуществом является то, что частоту следования импульсов можно легко изменять в очень широком диапазоне просто с помощью управляющей электроники. Хотя лазеры с модуляцией добротности обычно генерируют импульсы наносекундной длительности, лазеры на микрочипах с модуляцией добротности могут достигать длительности импульса намного меньше 100 пс.Более экзотическими источниками пикосекундных импульсов являются лазеры на свободных электронах , которые могут обеспечивать высокую энергию импульса даже в экстремальных диапазонах длин волн.

Применение пикосекундных лазеров

Пикосекундные лазеры используются в широком спектре лазерных приложений . Некоторые из этих лазеров являются промышленными , а другие – научными . Некоторые типичные приложения обсуждаются ниже.

Лазерная обработка материалов

При лазерной обработке материалов , например, при лазерном сверлении или резке , часто бывает выгодно использовать очень короткие световые импульсы, имеющие соответственно высокую пиковую мощность для данной энергии импульса .

Длительности наносекундных импульсов (от наносекундных лазеров ) часто бывают слишком большими, потому что значительный разброс вложенной энергии может происходить из-за теплопроводности во время длительности импульса. Это совсем другое дело для импульсов длительностью, например, 10 пс или меньше, когда наблюдается минимальное рассеивание тепла в течение длительности импульса. В результате можно с высоким качеством обрабатывать существенно более мелкие структуры ( лазерная микрообработка).). Однако обратите внимание, что для получения высококачественных результатов обычно требуется тщательная оптимизация многих деталей процесса.

По сравнению с фемтосекундными лазерами , пикосекундные лазерные источники часто более экономичны: более высокая средняя выходная мощность доступна по более низкой цене. В таких приложениях , как лазерная микрообработка , иногда достигаются более качественные результаты с помощью фемтосекундных импульсов, но пикосекундных импульсов часто бывает достаточно, если процесс в целом достаточно оптимизирован. В таких случаях часто предпочтительны пикосекундные лазеры.

Медицинские приложения

В некоторых медицинских приложениях пикосекундные импульсы имеют преимущества. Обычное применение – удаление татуировок, а также уменьшение пигментов естественного происхождения. Существуют также хирургические процедуры, при которых точная абляция материала может быть достигнута с помощью пикосекундных импульсов.

Лазерная микроскопия

Некоторые лазерные микроскопы работают с пикосекундными импульсами, хотя в некоторых случаях фемтосекундные импульсы имеют существенные преимущества.

Измерения

Пикосекундные лазерные импульсы полезны для очень широкого диапазона измерений. Например, могут выполняться измерения расстояний, например, на основе измерений времени пролета . Пикосекундные импульсы также часто используются в измерениях накачки-зондирования во временных масштабах от нескольких пикосекунд до наносекунд.

Телекоммуникации

В области волоконно-оптической связи пикосекундные лазеры могут использоваться по-разному. Например, пикосекундные лазеры могут использоваться для генерации солитонных импульсов в оптических волокнах , которые распространяются без дисперсионного уширения. Для таких целей требуются компактные и дешевые лазеры с гигагерцовыми частотами следования, часто с излучением в телекоммуникационных диапазонах 1,5 мкм.