Aceste patru tehnologii sunt discutate împreună, deoarece toate afectează direct caracteristicile de ieșire ale cavității rezonante laser.
1. Selectarea modului:
Selectarea modului este de fapt selecția frecvenței. Majoritatea laserelor folosesc cavități rezonante mai lungi pentru a obține o energie de ieșire mai mare, ceea ce face ca ieșirea laserului să fie multimodală. Cu toate acestea, în comparație cu modurile de ordin superior, modul transversal fundamental (modul TEM00) are caracteristicile de luminozitate ridicată, unghi de divergență mic, distribuție uniformă a intensității luminii radiale și frecvență de oscilație unică. Are cea mai bună interferență spațială și temporală. Prin urmare, un singur laser cu mod transversal fundamental este o sursă de lumină coerentă ideală, care este foarte importantă pentru aplicații precum interferometria laser, analiza spectrală și procesarea laser. Pentru a îndeplini aceste condiții, trebuie adoptate măsuri de limitare a oscilației laser pentru a suprima funcționarea celor mai multe frecvențe de rezonanță în laserele multimode și pentru a utiliza tehnologia de selecție a modului pentru a obține ieșire laser monomod cu o singură frecvență.
Selectarea modului este împărțită în două moduri: unul este selectarea modului longitudinal laser; celălalt este selectarea modului transversal laser. Primul are un impact mai mare asupra frecvenței de ieșire a laserului și poate îmbunătăți foarte mult coerența laserului; acesta din urmă afectează în principal uniformitatea intensității luminii a ieșirii laserului și îmbunătățește luminozitatea laserului.
1)Selectarea modului longitudinal: pentru a îmbunătăți monocromaticitatea și lungimea de coerență a fasciculului, laserul trebuie să funcționeze într-un singur mod longitudinal. Cu toate acestea, multe lasere au adesea mai multe moduri longitudinale care oscilează în același timp. Prin urmare, pentru a proiecta un laser cu un singur mod longitudinal, trebuie utilizată o metodă de selecție a frecvenței. Metodele comune includ: metoda cavității scurte, metoda etalonului Fabry-Ploy, metoda cu trei oglinzi etc.
2)Selecția modului transversal: condiția pentru oscilația laser este ca coeficientul de câștig să fie mai mare decât coeficientul de pierdere. Pierderile pot fi împărțite în pierderi de emisie de linie legate de ordinea modului transversal și alte pierderi independente de modul de oscilație. Esența selectării modului transversal fundamental este de a face ca modul TEM00 să atingă condiții de oscilație și de a suprima oscilația modurilor transversale de ordin superior. Prin urmare, trebuie doar să controlăm pierderea de emisie de linie a fiecărui mod de ordin înalt pentru a atinge scopul de a selecta moduri transversale. În general, atâta timp cât oscilațiile modului TEM01 și ale modului TEM10 care sunt cu un ordin mai mari decât modul transversal fundamental pot fi suprimate, oscilațiile altor moduri de ordin superior pot fi suprimate. Metodele obișnuite includ: metoda deschiderii, metoda deschiderii de focalizare și metoda telescopului intra-cavității, cavitatea concav-convexă, folosind selecția modului Q-switched etc.
2. Stabilizarea frecvenței:
După ce laserul obține oscilație cu o singură frecvență prin selectarea modului, frecvența de rezonanță se va mișca în continuare pe întreaga lățime liniară din cauza modificărilor condițiilor interne și externe. Acest fenomen se numește „derire de frecvență”. Datorită existenței derivei, apare problema stabilității frecvenței laserului. Scopul stabilizării frecvenței este de a încerca să controleze acești factori controlabili pentru a minimiza interferența lor cu frecvența de oscilație, îmbunătățind astfel stabilitatea frecvenței laserului.
Stabilitatea frecvenței include două aspecte: stabilitatea frecvenței și reproductibilitatea frecvenței. Stabilitatea frecvenței se referă la raportul dintre deviația de frecvență a laserului și frecvența de oscilație într-un timp de lucru continuu. Cu cât raportul este mai mic, cu atât stabilitatea frecvenței este mai mare. Reproducerea frecvenței este modificarea relativă a frecvenței atunci când laserul este utilizat în medii diferite. Metodele de stabilizare a frecvenței sunt împărțite în două tipuri: pasive și active. Metodele specifice de stabilizare a frecvenței includ: metoda lamb sag și metoda absorbției prin saturație.
3. Comutare Q:
În general, impulsurile de lumină emise de laserele cu impulsuri în stare solidă nu sunt impulsuri netede simple, ci o secvență de impulsuri de vârf mici cu intensități și lățimi diferite în intervalul de microsecunde. Această secvență de impulsuri de lumină durează sute de microsecunde sau chiar milisecunde, iar puterea sa de vârf este de doar zeci de kilowați, ceea ce este departe de a satisface nevoile aplicațiilor practice, cum ar fi radarul laser și telemetrul laser. Din acest motiv, unii oameni au propus conceptul de comutare Q, care a îmbunătățit performanța de ieșire a impulsurilor laser cu câteva ordine de mărime, a comprimat lățimea impulsului la nivelul de nanosecundă, iar puterea de vârf este la fel de mare ca gigawați.
Q se referă la factorul de calitate al cavității rezonante laser. Formula specifică este Q=2T"Energia stocată în cavitatea rezonantă/Energia pierdută pe ciclu de oscilație.
În acest moment, principiul oscilației laser Q-switching: o anumită metodă este utilizată pentru a face cavitatea rezonantă într-o stare cu pierderi mari și cu valoare Q scăzută la începutul pompării. Pragul de oscilație este foarte mare și chiar dacă numărul de inversare a densității particulelor se acumulează la un nivel foarte ridicat, nu va produce oscilație; când numărul de inversare a particulelor atinge valoarea de vârf, valoarea Q a cavității crește brusc, ceea ce va face ca câștigul mediului laser să depășească cu mult pragul, iar oscilația va avea loc extrem de rapid. În acest moment, energia particulelor stocate în stare metastabilă va fi rapid convertită în energia fotonilor, iar fotonii vor crește cu o rată extrem de mare. Laserul poate emite un impuls laser cu putere de vârf mare și lățime îngustă.
Deoarece pierderea cavității rezonante include pierderi de reflexie, pierderi de absorbție, pierderi de radiație, pierderi de împrăștiere și pierderi de transmisie, sunt utilizate diferite metode pentru a controla diferite tipuri de pierderi pentru a forma diferite tehnologii de comutare Q. În prezent, tehnologiile comune Q-switching sunt: Q-switching acusto-optic, Q-switching electro-optic și Dye Q-switching.
4. Blocare mod:
Q-switching poate comprima lățimea impulsului laser și obține impulsuri laser cu o lățime a impulsului de ordinul microsecundelor și o putere de vârf de ordinul gigawați. Tehnologia Mode locking este o tehnologie care mai modulează laserul într-un mod special, forțând să fie fixate fazele diferitelor moduri longitudinale care oscilează în laser, astfel încât fiecare mod să poată fi suprapus în mod coerent pentru a obține impulsuri ultrascurte. Folosind tehnologia de blocare a modului, se pot obține impulsuri laser ultrascurte cu o lățime a impulsului de ordinul femtosecundelor și o putere de vârf mai mare decât ordinul a T wați. Tehnologia de blocare a modului face ca energia laserului să fie foarte concentrată în timp și este în prezent cea mai avansată tehnologie pentru obținerea laserelor cu putere de vârf.
Principiul de blocare a modului: în general, laserele lărgite neuniform produc întotdeauna mai multe moduri longitudinale. Deoarece nu există o relație certă între frecvența și faza inițială a fiecărui mod, fiecare mod este incoerent unul cu celălalt, astfel încât intensitatea luminii emisă de mai multe moduri longitudinale este adăugarea incoerentă a fiecărui mod longitudinal. Intensitatea luminii de ieșire fluctuează neregulat în timp. Blocarea modului permite ca multiple moduri longitudinale care pot exista în cavitatea rezonantă să oscileze sincron, menține intervalele de frecvență ale fiecărui mod de oscilație egale și menține fazele inițiale constante, astfel încât laserul să emită o secvență scurtă de impulsuri cu intervale regulate și egale în timp.
Tehnologia de blocare a modului este împărțită în blocare în mod activ și blocare în mod pasiv. Blocarea modului activ: introduceți un modulator cu o frecvență de modulație v=c/2L în cavitatea rezonantă pentru a modula amplitudinea și faza ieșirii laser pentru a obține vibrația sincronă a fiecărui mod longitudinal. Blocare în mod pasiv: introduceți o cutie de colorant cu caracteristici de absorbție saturată în cavitatea laserului. Coeficientul de absorbție al cutiei de colorant cu caracteristici de absorbție saturabile va scădea odată cu creșterea intensității luminii. În laser, pe măsură ce pompa optică excită materialul de lucru, fiecare mod longitudinal va avea loc aleatoriu, iar câmpul luminos va fluctua în intensitate datorită suprapunerii lor. Când unele moduri longitudinale sunt îmbunătățite în mod coerent din întâmplare, apar părți cu o intensitate luminoasă mai puternică, în timp ce alte părți sunt mai slabe. Aceste părți mai puternice sunt absorbite mai puțin de colorant și pierderea nu este mare. Părțile mai slabe sunt absorbite mai mult de colorant și devin mai slabe. Ca rezultat al trecerii câmpului luminos prin colorant de multe ori, părțile puternice și slabe sunt clar distinse și, în cele din urmă, aceste părți de îmbunătățire coerente în modul longitudinal sunt selectate sub formă de impulsuri înguste. Blocarea modului pasiv are anumite cerințe privind proprietățile optice ale cutiei de colorant: linia de absorbție a colorantului trebuie să fie foarte aproape de lungimea de undă a laserului; lățimea liniei de absorbție trebuie să fie mai mare sau egală cu lățimea liniei laser; iar timpul de relaxare trebuie să fie mai scurt decât timpul necesar pentru ca pulsul să circule înainte și înapoi în cavitate.
