Импульсный режим работы лазеров относится к любому лазеру, не классифицированному как непрерывный , так что оптическая мощность появляется в импульсах некоторой длительности с некоторой частотой повторения . [1] Это охватывает широкий спектр технологий, направленных на решение ряда различных задач. Некоторые лазеры являются импульсными просто потому, что они не могут работать в непрерывном режиме.
В других случаях приложение требует создания импульсов с максимально возможной энергией. Поскольку энергия импульса равна средней мощности, деленной на частоту повторения, эта цель иногда может быть достигнута путем снижения частоты импульсов, чтобы между импульсами можно было накопить больше энергии. Например, при лазерной абляции небольшой объем материала на поверхности заготовки может быть испарен, если он нагревается за очень короткое время, тогда как постепенная подача энергии позволит теплу поглощаться всей массой заготовки, никогда не достигая достаточно высокой температуры в определенной точке.
Другие приложения полагаются на пиковую мощность импульса (а не на энергию в импульсе), особенно для получения нелинейных оптических эффектов. Для заданной энергии импульса это требует создания импульсов максимально короткой длительности с использованием таких методов, как модуляция добротности .
Оптическая полоса пропускания импульса не может быть уже, чем обратная величина ширины импульса. В случае чрезвычайно коротких импульсов это подразумевает генерацию в значительной полосе пропускания, что совершенно противоположно очень узким полосам пропускания, типичным для лазеров непрерывного действия (CW). Лазерная среда в некоторых лазерах на красителях и вибронных твердотельных лазерах обеспечивает оптическое усиление в широкой полосе пропускания, что делает возможным лазер, который может генерировать импульсы света длительностью всего несколько фемтосекунд .
В лазере с модуляцией добротности инверсия населенности может нарастать за счет введения потерь внутри резонатора, которые превышают усиление среды; это также можно описать как снижение добротности или «Q» резонатора. Затем, после того как энергия накачки, сохраненная в лазерной среде, приблизилась к максимально возможному уровню, введенный механизм потерь (часто электро- или акустооптический элемент) быстро удаляется (или это происходит само по себе в пассивном устройстве), позволяя начать лазерную генерацию, которая быстро получает сохраненную энергию в среде усиления. Это приводит к короткому импульсу, включающему эту энергию, и, таким образом, к высокой пиковой мощности.
Лазер с синхронизацией мод способен излучать чрезвычайно короткие импульсы длительностью порядка десятков пикосекунд вплоть до менее 10 фемтосекунд . Эти импульсы будут повторяться в течение времени кругового обхода, то есть времени, которое требуется свету для совершения одного кругового обхода между зеркалами, составляющими резонатор. Из-за предела Фурье (также известного как неопределенность энергии-времени ) импульс такой короткой временной длины имеет спектр, распределенный по значительной полосе пропускания. Таким образом, такая среда усиления должна иметь достаточно широкую полосу усиления, чтобы усиливать эти частоты. Примером подходящего материала является легированный титаном , искусственно выращенный сапфир ( Ti:sapphire ), который имеет очень широкую полосу усиления и, таким образом, может производить импульсы длительностью всего несколько фемтосекунд.
Такие лазеры с синхронизацией мод являются наиболее универсальным инструментом для исследования процессов, происходящих в чрезвычайно коротких временных масштабах (известных как фемтосекундная физика, фемтосекундная химия и сверхбыстрая наука ), для максимизации эффекта нелинейности в оптических материалах (например, при генерации второй гармоники , параметрическом преобразовании с понижением частоты , оптических параметрических генераторах и т. п.) из-за большой пиковой мощности, а также в приложениях абляции. [2] Опять же, из-за чрезвычайно короткой длительности импульса такой лазер будет производить импульсы, которые достигают чрезвычайно высокой пиковой мощности.
Другой метод достижения импульсной работы лазера заключается в накачке лазерного материала источником, который сам является импульсным, либо посредством электронной зарядки в случае импульсных ламп, либо другого лазера, который уже является импульсным. Импульсная накачка исторически использовалась с лазерами на красителях, где инвертированное время жизни молекулы красителя было настолько коротким, что требовалась высокоэнергетическая быстрая накачка. Способом решения этой проблемы была зарядка больших конденсаторов , которые затем переключались на разряд через импульсные лампы , производя интенсивную вспышку. Импульсная накачка также требуется для трехуровневых лазеров, в которых нижний энергетический уровень быстро становится высоконаселенным, предотвращая дальнейшую генерацию, пока эти атомы не релаксируют в основное состояние. Эти лазеры, такие как эксимерный лазер и лазер на парах меди, никогда не могут работать в непрерывном режиме.
Импульсные лазеры Nd:YAG и Er:YAG используются, помимо прочего, для лазерного удаления татуировок и в лазерных дальномерах .
Импульсные лазеры также используются в хирургии мягких тканей . Когда лазерный луч контактирует с мягкими тканями, одним из важных факторов является не перегревать окружающие ткани, чтобы можно было предотвратить некроз . [3] Лазерные импульсы должны быть разнесены, чтобы обеспечить эффективное охлаждение тканей (время тепловой релаксации) между импульсами. [3]