Te cztery technologie omówiono łącznie, ponieważ wszystkie bezpośrednio wpływają na charakterystykę wyjściową rezonansu laserowego.
1. Wybór trybu:
Wybór trybu to tak naprawdę wybór częstotliwości. Większość laserów wykorzystuje dłuższe wnęki rezonansowe, aby uzyskać większą energię wyjściową, co sprawia, że moc wyjściowa lasera jest wielomodowa. Jednakże w porównaniu z modami wyższego rzędu podstawowy mod poprzeczny (tryb TEM00) charakteryzuje się dużą jasnością, małym kątem rozbieżności, równomiernym promieniowym rozkładem natężenia światła i częstotliwością pojedynczych oscylacji, a także ma najlepszą przestrzenną i chwilowa ingerencja. Dlatego pojedynczy podstawowy laser o trybie poprzecznym jest idealnym źródłem spójnego światła, co jest bardzo ważne w zastosowaniach takich jak interferometria laserowa, analiza widmowa i obróbka laserowa. Aby spełnić te warunki, należy zastosować środki ograniczające tryb oscylacji lasera, aby stłumić działanie większości częstotliwości rezonansowych w laserach wielomodowych oraz zastosować technologię wyboru trybu w celu uzyskania wyjścia lasera jednomodowego o pojedynczej częstotliwości.
Wybór trybu dzieli się na dwa sposoby: jeden to wybór trybu podłużnego lasera, drugi to wybór trybu poprzecznego lasera. Ten pierwszy ma większy wpływ na częstotliwość wyjściową lasera i może znacznie poprawić spójność lasera: ten drugi wpływa głównie na równomierność natężenia światła na wyjściu lasera i poprawia jasność lasera.
Wybór trybu podłużnego: Aby poprawić monochromatyczność i długość spójności wiązki światła, konieczne jest ustawienie lasera w trybie jedno-podłużnym. Jednak wiele laserów często ma kilka modów podłużnych oscylujących w tym samym czasie. Dlatego też, aby zaprojektować pojedynczy laser o trybie podłużnym, należy zastosować metodę doboru częstotliwości. Typowe metody obejmują: metodę krótkiej wnęki, metodę Fabry’ego-Pulloffa etalon, metodę trzech reflektorów itp.
2) Wybór trybu poprzecznego: Warunkiem oscylacji lasera jest to, że współczynnik wzmocnienia musi być większy niż współczynnik strat. Straty można podzielić na straty dyfrakcyjne związane z porządkiem modu poprzecznego i inne straty niezwiązane z modą oscylacyjną. Istotą wyboru podstawowego modu poprzecznego jest doprowadzenie modu TEM00 do stanu oscylacji, przy jednoczesnym stłumieniu oscylacji modu poprzecznego wyższego rzędu. Dlatego też cel wyboru trybu poprzecznego można osiągnąć po prostu kontrolując utratę transmisji każdego trybu wyższego rzędu. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli można stłumić oscylacje modów TEM01 i TEM10, które są o jeden rząd wyższe niż podstawowy mod poprzeczny, można stłumić oscylacje innych modów wyższego rzędu. Typowe metody obejmują: metodę apertury, metodę apertury skupiającej i wnęki wklęsło-wypukłej, wybór trybu za pomocą przełączania Q itp. Metoda teleskopu wewnątrzwnękowego,
2. Stabilizacja częstotliwości:
Po tym jak laser uzyska w wyniku wyboru trybu oscylację o pojedynczej częstotliwości, na skutek zmian warunków wewnętrznych i zewnętrznych, częstotliwość rezonansowa będzie nadal poruszać się w całej szerokości liniowej. Zjawisko to nazywane jest „dryfem częstotliwości”. W związku z występowaniem dryftu pojawia się problem stabilności częstotliwości lasera. Celem stabilizacji częstotliwości jest próba kontrolowania tych kontrolowanych czynników, aby zminimalizować ich interferencję z częstotliwością oscylacji, poprawiając w ten sposób stabilność częstotliwości lasera.
Stabilność częstotliwości obejmuje dwa aspekty: stabilność częstotliwości i odtwarzalność częstotliwości. Stabilność częstotliwości odnosi się do stosunku dryftu częstotliwości lasera do częstotliwości oscylacji w nieciągłym czasie pracy. Im mniejszy stosunek, tym wyższa stabilność częstotliwości. Odtwarzalność częstotliwości to względna zmiana częstotliwości, gdy laser jest używany w różnych środowiskach. Metody stabilizacji częstotliwości dzielą się na pasywne i aktywne. Konkretne metody stabilizacji częstotliwości to: metoda zwisania Lamba i metoda absorpcji nasycenia.
3. Q-przełączanie:
Ogólnie rzecz biorąc, impulsy świetlne generowane przez lasery impulsowe na ciele stałym nie są pojedynczymi gładkimi impulsami, ale sekwencją małych impulsów szczytowych o różnej intensywności na poziomie mikrosekund. Ta sekwencja impulsów świetlnych trwa setki mikrosekund, a nawet kilka dziesiątych sekundy, a jej moc szczytowa wynosi zaledwie dziesiątki kilowatów, co znacznie odbiega od potrzeb praktycznych zastosowań, takich jak radar laserowy i dalmierz laserowy. Z tego powodu niektórzy zaproponowali koncepcję Q-switching, która poprawiła wydajność wyjściową impulsów laserowych o kilka rzędów wielkości, skompresowała szerokość impulsu do poziomu nanosekund, a moc szczytowa sięgała gigawatów.
Q odnosi się do współczynnika jakości wnęki rezonansowej lasera. Konkretny wzór to Q=2n*energia zmagazynowana we wnęce rezonansowej/energia tracona na cykl oscylacji.
Zasada przełączania Q: Aby na początku pompowania wprowadzić wnękę rezonansową do stanu o wysokiej stracie i niskiej wartości Q, stosuje się pewną metodę. W tym momencie próg oscylacji lasera jest bardzo wysoki i nawet jeśli liczba inwersji gęstości cząstek zgromadzi się na bardzo wysokim poziomie, nie spowoduje to oscylacji: gdy liczba inwersji cząstek osiągnie wartość szczytową, wartość Q wnęki zostanie nagle zwiększony, co spowoduje, że wzmocnienie ośrodka laserowego znacznie przekroczy próg i spowoduje niezwykle szybkie oscylacje. W tym czasie energia cząstek zmagazynowanych w stanie metastabilnym zostanie szybko zamieniona na energię fotonów. Fotony rosną z niezwykle dużą szybkością, a laser może wygenerować impuls laserowy o dużej mocy szczytowej i małej szerokości.
Ponieważ utrata wnęki rezonansowej obejmuje utratę odbicia, utratę absorpcji, utratę dyfrakcji, utratę rozproszenia i utratę transmisji, stosuje się różne metody do kontrolowania różnych typów strat, tworząc różne technologie przełączania Q. Obecnie powszechnymi technologiami Q-switch są: akustooptyczne Q-switch, elektrooptyczne Q-switch i barwnikowe Q-switch.
4. Blokowanie trybu:
Q-switching może kompresować szerokość impulsu lasera w celu uzyskania impulsów laserowych o szerokości impulsu rzędu mikrosekund i mocy szczytowej rzędu gigawatów. Technologia blokowania modów to technologia, która dodatkowo moduluje laser w specjalny sposób, wymuszając ustalenie fazy każdego modu podłużnego oscylującego w laserze, tak aby każdy mod był spójnie nałożony, aby uzyskać ultrakrótki impuls. Stosując technologię blokowania trybów, można uzyskać ultrakrótkie impulsy laserowe o szerokości impulsu rzędu femtosekund i mocy szczytowej wyższej niż rząd T watów. Technologia blokowania trybów sprawia, że energia lasera jest wysoce skoncentrowana w czasie i jest obecnie najbardziej zaawansowaną technologią uzyskiwania laserów o dużej mocy szczytowej.
Zasada blokowania modów: Ogólnie rzecz biorąc, nierównomiernie poszerzone lasery zawsze wytwarzają wiele modów podłużnych. Ponieważ nie ma określonego związku między częstotliwością a początkową fazą każdego modu, mody są ze sobą niespójne, więc natężenie światła emitowane przez wiele modów podłużnych jest niespójnym dodatkiem każdego modu podłużnego. Natężenie światła wyjściowego zmienia się nieregularnie w czasie. Blokowanie modów umożliwia synchroniczne oscylacje wielu modów podłużnych, które mogą istnieć we wnęce rezonansowej, utrzymuje równe odstępy częstotliwości każdego trybu oscylacji i utrzymuje stałe fazy początkowe, dzięki czemu laser generuje krótką sekwencję impulsów o regularnych i równych odstępach czasu.
Mode-locking technology is divided into active mode locking and passive mode locking. Active mode locking: insert a modulator with a modulation frequency v=c/2L into the resonance to modulate the amplitude and phase of the laser output to achieve synchronous vibration of each longitudinal mode. Passive mode locking: insert a dye box with saturated absorption characteristics into the laser cavity. The absorption coefficient of the dye box with saturable absorption characteristics will decrease with the increase of light intensity. In the laser, as the optical pump excites the working material, each longitudinal mode will occur randomly, and the light field will fluctuate in intensity due to their superposition. When some longitudinal modes are coherently enhanced by chance, parts with stronger light intensity appear, while other parts are weaker. These stronger parts are less absorbed by the dye and have little loss. The weaker parts are absorbed more by the dye and become weaker. As a result of the light field passing through the dye many times, the strong and weak parts are clearly distinguished, and eventually these longitudinal mode coherently enhanced parts are selected in the form of narrow pulses. Passive mode locking has certain requirements for the optical properties of the dye box: the absorption line of the dye must be very close to the laser wavelength; the line width of the absorption line must be >= szerokość linii lasera; czas relaksacji musi być krótszy niż czas potrzebny impulsowi na jednokrotne przejście w tę i z powrotem.
