Cztery te technologie omawiamy łącznie, ponieważ wszystkie one bezpośrednio wpływają na charakterystykę wyjściową wnęki rezonansowej lasera.
1. Wybór trybu:
Wybór trybu jest w rzeczywistości wyborem częstotliwości. Większość laserów wykorzystuje dłuższe wnęki rezonansowe, aby uzyskać większą energię wyjściową, co sprawia, że wyjście lasera jest wielomodowe. Jednak w porównaniu z trybami wyższego rzędu, podstawowy tryb poprzeczny (tryb TEM00) charakteryzuje się wysoką jasnością, małym kątem rozbieżności, równomiernym rozkładem intensywności światła promieniowego i pojedynczą częstotliwością oscylacji. Ma najlepszą interferencję przestrzenną i czasową. Dlatego pojedynczy laser podstawowego trybu poprzecznego jest idealnym źródłem światła spójnego, co jest bardzo ważne w takich zastosowaniach jak interferometria laserowa, analiza widmowa i przetwarzanie laserowe. Aby spełnić te warunki, należy podjąć środki ograniczające oscylację lasera, aby stłumić działanie większości częstotliwości rezonansowych w laserach wielomodowych i zastosować technologię wyboru trybu, aby uzyskać jednomodowy, jednoczęstotliwościowy sygnał wyjściowy lasera.
Wybór trybu jest podzielony na dwa sposoby: jeden to wybór podłużnego trybu lasera; drugi to wybór poprzecznego trybu lasera. Pierwszy ma większy wpływ na częstotliwość wyjściową lasera i może znacznie poprawić spójność lasera; drugi głównie wpływa na jednorodność natężenia światła wyjściowego lasera i poprawia jasność lasera.
1)Wybór trybu podłużnego: Aby poprawić monochromatyczność i długość koherencji wiązki, laser musi pracować w jednym trybie podłużnym. Jednak wiele laserów często ma kilka trybów podłużnych oscylujących w tym samym czasie. Dlatego, aby zaprojektować laser z jednym trybem podłużnym, należy zastosować metodę wyboru częstotliwości. Typowe metody obejmują: metodę krótkiej wnęki, metodę etalonu Fabry'ego-Ploya, metodę trzech luster itp.
2)Wybór trybu poprzecznego: Warunkiem oscylacji lasera jest to, że współczynnik wzmocnienia musi być większy od współczynnika strat. Straty można podzielić na straty emisji liniowej związane z rzędem trybu poprzecznego i inne straty niezależne od trybu oscylacji. Istotą wyboru podstawowego trybu poprzecznego jest sprawienie, aby tryb TEM00 osiągnął warunki oscylacji i stłumił oscylację trybów poprzecznych wyższego rzędu. Dlatego musimy kontrolować tylko straty emisji liniowej każdego trybu wyższego rzędu, aby osiągnąć cel wyboru trybów poprzecznych. Mówiąc ogólnie, tak długo, jak oscylacje trybu TEM01 i trybu TEM10, które są o rząd wyższe od podstawowego trybu poprzecznego, mogą być stłumione, oscylacje innych trybów wyższego rzędu mogą być stłumione. Typowe metody obejmują: metodę apertury, metodę ogniskowania apertury i metodę teleskopu wewnątrzwnękowego, wnękę wklęsło-wypukłą, użycie wyboru trybu Q-switched itp.
2. Stabilizacja częstotliwości:
Po tym, jak laser uzyska oscylację pojedynczej częstotliwości poprzez wybór trybu, częstotliwość rezonansowa nadal będzie się poruszać w całej szerokości liniowej ze względu na zmiany warunków wewnętrznych i zewnętrznych. Zjawisko to nazywa się „dryfem częstotliwości”. Ze względu na istnienie dryfu pojawia się problem stabilności częstotliwości lasera. Celem stabilizacji częstotliwości jest próba kontrolowania tych kontrolowanych czynników w celu zminimalizowania ich interferencji z częstotliwością oscylacji, poprawiając w ten sposób stabilność częstotliwości lasera.
Stabilność częstotliwości obejmuje dwa aspekty: stabilność częstotliwości i powtarzalność częstotliwości. Stabilność częstotliwości odnosi się do stosunku dryftu częstotliwości lasera do częstotliwości oscylacji w ciągłym czasie pracy. Im mniejszy stosunek, tym wyższa stabilność częstotliwości. Reprodukcja częstotliwości to względna zmiana częstotliwości, gdy laser jest używany w różnych środowiskach. Metody stabilizacji częstotliwości dzielą się na dwa typy: pasywne i aktywne. Konkretne metody stabilizacji częstotliwości obejmują: metodę Lamb sag i metodę absorpcji nasycenia.
3. Przełączanie Q:
Ogólnie rzecz biorąc, impulsy światła emitowane przez lasery impulsowe ciała stałego nie są pojedynczymi, gładkimi impulsami, ale sekwencją małych impulsów szczytowych o zmiennej intensywności i szerokości w zakresie mikrosekund. Ta sekwencja impulsów światła trwa setki mikrosekund, a nawet milisekund, a jej moc szczytowa wynosi zaledwie dziesiątki kilowatów, co jest dalekie od spełnienia potrzeb praktycznych zastosowań, takich jak radar laserowy i laserowy pomiar odległości. Z tego powodu niektórzy zaproponowali koncepcję przełączania dobroci, która poprawiła wydajność wyjściową impulsów laserowych o kilka rzędów wielkości, skompresowała szerokość impulsu do poziomu nanosekund, a moc szczytowa jest tak wysoka, jak gigawaty.
Q odnosi się do współczynnika jakości wnęki rezonansowej lasera. Konkretny wzór to Q=2T"Energia zmagazynowana w wnęce rezonansowej/Energia utracona na cykl oscylacji.
W tym momencie zasada oscylacji laserowej Q-switching: pewna metoda jest używana, aby wnęka rezonansowa znajdowała się w stanie o wysokiej stracie i niskiej wartości Q na początku pompowania. Próg oscylacji jest bardzo wysoki i nawet jeśli liczba inwersji gęstości cząstek kumuluje się do bardzo wysokiego poziomu, nie spowoduje to oscylacji; gdy liczba inwersji cząstek osiągnie wartość szczytową, wartość Q wnęki nagle wzrasta, co spowoduje, że wzmocnienie ośrodka laserowego znacznie przekroczy próg, a oscylacja wystąpi niezwykle szybko. W tym momencie energia cząstek przechowywanych w stanie metastabilnym zostanie szybko przekształcona w energię fotonów, a fotony będą rosły z niezwykle dużą szybkością. Laser może wyprowadzać impuls laserowy o wysokiej mocy szczytowej i wąskiej szerokości.
Ponieważ straty w wnęce rezonansowej obejmują straty odbiciowe, straty absorpcyjne, straty promieniowania, straty rozpraszania i straty transmisji, różne metody są stosowane do kontrolowania różnych typów strat w celu utworzenia różnych technologii przełączania Q. Obecnie powszechnymi technologiami przełączania Q są: akustooptyczne przełączanie Q, elektrooptyczne przełączanie Q i barwnikowe przełączanie Q.
4. Blokada trybu:
Q-switching może kompresować szerokość impulsu lasera i uzyskiwać impulsy laserowe o szerokości impulsu rzędu mikrosekund i mocy szczytowej rzędu gigawatów. Technologia blokowania modów to technologia, która dodatkowo moduluje laser w specjalny sposób, wymuszając ustalenie faz różnych trybów podłużnych oscylujących w laserze, tak aby każdy tryb mógł być spójnie nałożony w celu uzyskania ultrakrótkich impulsów. Wykorzystując technologię blokowania modów, można uzyskać ultrakrótkie impulsy laserowe o szerokości impulsu rzędu femtosekund i mocy szczytowej wyższej niż rząd T watów. Technologia blokowania modów sprawia, że energia lasera jest silnie skoncentrowana w czasie i jest obecnie najbardziej zaawansowaną technologią uzyskiwania laserów o wysokiej mocy szczytowej.
Zasada blokowania modów: Zasadniczo nierównomiernie poszerzone lasery zawsze wytwarzają wiele modów podłużnych. Ponieważ nie ma określonego związku między częstotliwością a początkową fazą każdego modu, każdy mod jest niespójny ze sobą, więc natężenie światła wyprowadzane przez wiele modów podłużnych jest niespójnym dodawaniem każdego modu podłużnego. Natężenie światła wyjściowego zmienia się nieregularnie w czasie. Blokowanie modów pozwala wielu modom podłużnym, które mogą występować w jamie rezonansowej, oscylować synchronicznie, utrzymuje równe odstępy częstotliwości każdego modu oscylacji i utrzymuje stałe ich początkowe fazy, tak że laser wyprowadza krótką sekwencję impulsów z regularnymi i równymi odstępami w czasie.
Technologia blokowania trybów dzieli się na aktywne blokowanie trybów i pasywne blokowanie trybów. Aktywne blokowanie trybów: włóż modulator o częstotliwości modulacji v=c/2L do wnęki rezonansowej, aby modulować amplitudę i fazę wyjścia lasera, aby uzyskać synchroniczne drgania każdego modu podłużnego. Pasywne blokowanie trybów: włóż pudełko barwnika o nasyconych charakterystykach absorpcji do wnęki lasera. Współczynnik absorpcji pudełka barwnika o nasyconych charakterystykach absorpcji będzie się zmniejszał wraz ze wzrostem natężenia światła. W laserze, gdy pompa optyczna wzbudza materiał roboczy, każdy mod podłużny będzie występował losowo, a pole światła będzie fluktuowało pod względem intensywności ze względu na ich superpozycję. Gdy niektóre mody podłużne są spójnie wzmacniane przez przypadek, pojawiają się części o silniejszym natężeniu światła, podczas gdy inne części są słabsze. Te silniejsze części są mniej absorbowane przez barwnik, a strata nie jest duża. Słabsze części są bardziej absorbowane przez barwnik i stają się słabsze. W wyniku wielokrotnego przechodzenia pola światła przez barwnik, silne i słabe części są wyraźnie rozróżniane, a na koniec te podłużne spójne części wzmocnienia trybu są wybierane w postaci wąskich impulsów. Pasywne blokowanie trybu ma pewne wymagania dotyczące właściwości optycznych pudełka barwnika: linia absorpcyjna barwnika musi być bardzo bliska długości fali lasera; szerokość linii absorpcyjnej musi być większa lub równa szerokości linii lasera; a czas relaksacji musi być krótszy niż czas potrzebny impulsowi na przemieszczanie się tam i z powrotem w jamie.
