วิธีที่ตรงไปตรงมาที่สุดในการสร้างพัลส์เลเซอร์คือการเพิ่มโมดูเลเตอร์ภายนอกให้กับเลเซอร์ต่อเนื่อง วิธีนี้สร้างพัลส์ได้เร็วเท่ากับพิโควินาที ซึ่งเป็นวิธีง่ายๆ แต่สิ้นเปลืองพลังงานแสง และกำลังสูงสุดต้องไม่เกินกำลังแสงต่อเนื่อง ดังนั้น วิธีการสร้างพัลส์เลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพมากกว่าคือการปรับภายในโพรงสมอง โดยที่พลังงานจะถูกเก็บไว้ ณ เวลาหยุดการระเบิดและปล่อยออกมาในเวลาที่ตรงเวลา
เทคนิคทั่วไปสี่เทคนิคที่ใช้ในการสร้างพัลส์ผ่านการมอดูเลตภายในช่องเลเซอร์ ได้แก่ การสลับเกน, การสลับ Q (การสลับการสูญเสีย), การผกผันของช่อง และการล็อคโหมด
การสลับเกนจะสร้างพัลส์สั้นโดยการปรับกำลังของปั๊ม ตัวอย่างเช่น เลเซอร์สวิตช์เกนแบบไดโอดสามารถสร้างพัลส์ในช่วงไม่กี่นาโนวินาทีถึงหนึ่งร้อยพิโควินาทีผ่านการมอดูเลตปัจจุบัน แม้ว่าพลังงานพัลส์จะต่ำ แต่วิธีนี้มีความยืดหยุ่นมาก เช่น ให้ความถี่ใหม่และความกว้างพัลส์ที่ปรับได้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวรายงานว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบสวิตช์เกนเฟมโตวินาทีในปี 2018 ซึ่งส่งสัญญาณถึงความก้าวหน้าในคอขวดทางเทคโนโลยี 40- ปี
โดยทั่วไปพัลส์นาโนวินาทีที่แข็งแกร่งจะถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์สวิตช์ Q โดยที่เลเซอร์จะถูกปล่อยออกมาภายในไม่กี่รอบภายในโพรง โดยมีพลังงานพัลส์อยู่ในช่วงไม่กี่มิลลิจูลถึงไม่กี่จูล ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ
พลังงานปานกลาง (โดยทั่วไปต่ำกว่า 1 μJ) พัลส์พิโควินาทีและเฟมโตวินาทีถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ที่ล็อคโหมดเป็นหลัก โดยมีพัลส์ที่สั้นเกินขีดหนึ่งหรือหลายพัลส์ปรากฏอยู่ในวงต่อเนื่องภายในช่องเรโซแนนซ์ของเลเซอร์ โดยมีพัลส์ในโพรงสมองที่ปล่อยออกมาทีละตัวผ่านทางเอาท์พุต กระจกเชื่อมต่อและมีความถี่ใหม่ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10 MHz ถึง 100 GHz ภาพด้านล่างแสดงการตั้งค่าไฟเบอร์เลเซอร์กระจายโซลิตันเฟมโตวินาทีแบบกระจายปกติ (ANDi) ซึ่งสามารถสร้างขึ้นด้วยส่วนประกอบมาตรฐานส่วนใหญ่ของ Thorlabs (ไฟเบอร์ เลนส์ เมาท์ และระยะการเคลื่อนที่)
เทคนิคการกลับช่องสามารถใช้ได้ทั้งกับเลเซอร์สวิตช์ Q เพื่อให้ได้พัลส์ที่สั้นกว่า และสำหรับเลเซอร์ที่ล็อคโหมดเพื่อเพิ่มพลังงานพัลส์ที่ความถี่ซ้ำที่ต่ำกว่า
พัลส์โดเมนเวลาและความถี่
รูปร่างเชิงเส้นของพัลส์ในช่วงเวลาหนึ่งโดยทั่วไปจะเรียบง่ายและสามารถแสดงเป็นฟังก์ชันเกาส์เซียนและเซคทูได้ ระยะเวลาพัลส์ (หรือที่เรียกว่าความกว้างพัลส์) ส่วนใหญ่มักแสดงเป็นค่าขนาดครึ่งความกว้าง-สูงขนาด (FWHM) กล่าวคือ ความกว้างที่ขยายด้วยกำลังแสงอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด พัลส์นาโนวินาทีสั้นถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์สวิตช์ Q และพัลส์อัลตร้าชอร์ต (USP) ที่ไม่กี่สิบพิโควินาทีถึงเฟมโตวินาทีนั้นถูกสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ที่ล็อคโหมด อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงสามารถวัดได้เร็วที่สุดเพียงไม่กี่สิบพิโควินาที และสามารถวัดพัลส์ที่สั้นกว่าได้โดยใช้เทคนิคเชิงแสงเพียงอย่างเดียว เช่น ออโตคอร์เรเลเตอร์ กบ และสไปเดอร์
หากทราบรูปร่างของพัลส์ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานพัลส์ (Ep) กำลังสูงสุด (Pp) และความกว้างพัลส์ (𝜏p) จะถูกคำนวณตามสมการต่อไปนี้:
โดยที่ fs คือสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวข้องกับรูปร่างของพัลส์ ซึ่งมีค่าประมาณ {{0}}.94 สำหรับพัลส์เกาส์เซียน และ 0.88 สำหรับพัลส์ sech² แต่โดยทั่วไปจะประมาณ 1
แบนด์วิธของพัลส์สามารถแสดงเป็นความถี่ ความยาวคลื่น หรือความถี่เชิงมุม หากแบนด์วิธมีขนาดเล็ก แบนด์วิธความยาวคลื่นและความถี่จะถูกแปลงโดยใช้สมการต่อไปนี้ โดยที่ γ และ ν คือความยาวคลื่นและความถี่ที่อยู่ตรงกลาง ตามลำดับ และ Δแล และ Δν คือแบนด์วิธในความยาวคลื่นและความถี่ ตามลำดับ
พัลส์จำกัดแบนด์วิธ
สำหรับรูปร่างพัลส์เฉพาะ พัลส์จะมีความกว้างสเปกตรัมน้อยที่สุดในกรณีที่ไม่มีเสียงร้อง ซึ่งเรียกว่าพัลส์แบบจำกัดแบนด์วิธหรือพัลส์แบบจำกัดการแปลงฟูริเยร์ โดยที่ผลคูณของเวลาพัลส์และแบนด์วิธความถี่มีค่าคงที่ ซึ่งก็คือ เรียกว่าผลิตภัณฑ์แบนด์วิธเวลา (TBP) ผลคูณของแบนด์วิธเวลาพัลส์และความถี่เป็นค่าคงที่ที่เรียกว่าผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์เวลา (TBP) ผลคูณแบนด์วิธเวลาของพัลส์เกาส์เซียนและ sech² ที่จำกัดแบนด์วิดท์มีค่าประมาณ 0.441 และ 0.315 ตามลำดับ เสียงร้องจริงของพัลส์และการกระจายการหน่วงเวลากลุ่มสะสมสามารถคำนวณได้จากสิ่งนี้
ดังนั้นความกว้างของพัลส์ที่แคบกว่าจึงต้องใช้สเปกตรัมฟูริเยร์ที่กว้างกว่า ตัวอย่างเช่น พัลส์ 10 fs ต้องมีแบนด์วิธอย่างน้อย 30 THz ในขณะที่พัลส์อัตโตวินาทีมีแบนด์วิธที่มากกว่า และความถี่กลางของมันจะต้องสูงกว่าความถี่แสงที่มองเห็นใดๆ ได้เป็นอย่างดี
ปัจจัยที่ส่งผลต่อความกว้างของพัลส์
ในขณะที่พัลส์นาโนวินาทีหรือนานกว่านั้นแพร่กระจายโดยมีการเปลี่ยนแปลงความกว้างพัลส์เพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย แม้จะอยู่ในระยะทางไกลก็ตาม พัลส์ที่สั้นมากอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ:
การกระจายตัวของสีสามารถนำไปสู่การแพร่กระจายของพัลส์ขนาดใหญ่ แม้ว่าสามารถบีบอัดใหม่ได้ด้วยการกระจายตัวที่ตรงกันข้าม ดังที่แสดงในแผนภาพด้านล่าง ซึ่งแสดงให้เห็นการทำงานของ Thorlabs Femtosecond Pulse Compressor เพื่อชดเชยการกระจายตัวของกล้องจุลทรรศน์
โดยทั่วไปความไม่เชิงเส้นจะไม่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อความกว้างของพัลส์ แต่สามารถนำไปสู่แบนด์วิธที่กว้างขึ้น และทำให้พัลส์ไวต่อการกระจายตัวในการแพร่กระจายมากขึ้น
ไฟเบอร์ชนิดใดก็ตาม (รวมถึงสื่อรับสัญญาณอื่นๆ ที่มีแบนด์วิธจำกัด) อาจส่งผลต่อแบนด์วิธหรือรูปร่างของพัลส์ที่สั้นเกินขีด และการลดแบนด์วิดท์อาจนำไปสู่การขยายเวลา นอกจากนี้ยังมีกรณีที่พัลส์ที่ส่งเสียงร้องอย่างแรงจะมีความกว้างของพัลส์ที่สั้นกว่าเมื่อสเปกตรัมแคบลง
