Tyto čtyři technologie jsou diskutovány společně, protože všechny přímo ovlivňují výstupní charakteristiky laserové rezonanční dutiny.
1. Výběr režimu:
Volba režimu je vlastně volba frekvence. Většina laserů používá delší rezonanční dutiny k získání větší výstupní energie, díky čemuž je výstup laseru vícerežimový. Ve srovnání s režimy vyššího řádu má však základní příčný režim (režim TEM00) charakteristiky vysokého jasu, malého úhlu divergence, rovnoměrného rozložení radiální intenzity světla a frekvence jedné oscilace. Má nejlepší prostorovou a časovou interferenci. Proto je jeden základní laser v příčném režimu ideálním zdrojem koherentního světla, což je velmi důležité pro aplikace, jako je laserová interferometrie, spektrální analýza a laserové zpracování. Aby byly splněny tyto podmínky, musí být přijata opatření k omezení oscilace laseru, aby se potlačila činnost většiny rezonančních frekvencí u multimódových laserů, a aby se získal jednovidový jednofrekvenční laserový výstup, použít technologii volby režimu.
Výběr režimu je rozdělen do dvou způsobů: jedním je výběr podélného režimu laseru; druhá je volba příčného režimu laseru. První z nich má větší vliv na výstupní frekvenci laseru a může výrazně zlepšit koherenci laseru; posledně jmenovaný ovlivňuje především rovnoměrnost intenzity světla laserového výstupu a zlepšuje jas laseru.
1)Volba podélného režimu: Pro zlepšení monochromatičnosti a koherenční délky paprsku musí laser pracovat v jediném podélném režimu. Mnoho laserů však často má několik podélných režimů oscilujících současně. Proto pro návrh laseru s jedním podélným videm musí být použita metoda výběru frekvence. Mezi běžné metody patří: metoda krátké dutiny, Fabry-Ployova etalonová metoda, třízrcadlová metoda atd.
2)Volba příčného režimu: Podmínkou pro oscilaci laseru je, že koeficient zisku musí být větší než koeficient ztráty. Ztráty lze rozdělit na emisní ztráty vedení související s řádem příčného režimu a ostatní ztráty nezávislé na režimu kmitání. Podstatou výběru základního příčného režimu je dosáhnout toho, aby režim TEM00 dosáhl podmínek oscilace a potlačit oscilaci příčných režimů vyššího řádu. Potřebujeme tedy pouze řídit ztrátu vyzařování ve vedení každého režimu vyššího řádu, abychom dosáhli účelu výběru příčných režimů. Obecně řečeno, pokud lze potlačit oscilace v režimu TEM01 a režimu TEM10, které jsou o jeden řád vyšší než základní příčný režim, mohou být potlačeny oscilace jiných režimů vyššího řádu. Mezi běžné metody patří: metoda apertury, metoda zaostřovací apertury a metoda intra-dutinového dalekohledu, konkávně-konvexní dutina, použití Q-switched mode, atd.
2. Stabilizace frekvence:
Poté, co laser získá jednofrekvenční oscilaci volbou režimu, bude se rezonanční frekvence stále pohybovat v rámci celé lineární šířky v důsledku změn vnitřních a vnějších podmínek. Tento jev se nazývá „frekvenční drift“. Kvůli existenci driftu vzniká problém stability frekvence laseru. Účelem stabilizace frekvence je pokusit se řídit tyto ovladatelné faktory, aby se minimalizovalo jejich rušení s frekvencí oscilací, a tím se zlepšila stabilita frekvence laseru.
Kmitočtová stabilita zahrnuje dva aspekty: frekvenční stabilitu a frekvenční reprodukovatelnost. Frekvenční stabilita se vztahuje k poměru frekvenčního driftu laseru k frekvenci oscilací během nepřetržité pracovní doby. Čím menší je poměr, tím vyšší je stabilita frekvence. Reprodukce frekvence je relativní změna frekvence, když je laser používán v různých prostředích. Metody stabilizace frekvence se dělí na dva typy: pasivní a aktivní. Mezi specifické metody frekvenční stabilizace patří: metoda jehněčího poklesu a metoda saturační absorpce.
3. Q-spínání:
Obecně, světelné pulsy vydávané pulsními lasery v pevné fázi nejsou jednotlivé hladké pulsy, ale sekvence malých špičkových pulsů s různou intenzitou a šířkou v mikrosekundovém rozsahu. Tato sekvence světelných pulsů trvá stovky mikrosekund nebo dokonce milisekund a její špičkový výkon je pouze desítky kilowattů, což zdaleka neodpovídá potřebám praktických aplikací, jako je laserový radar a laserové měření vzdálenosti. Z tohoto důvodu někteří lidé navrhli koncept Q-switchingu, který zlepšil výstupní výkon laserových pulzů o několik řádů, stlačil šířku pulzu na úroveň nanosekund a špičkový výkon je až gigawatty.
Q označuje jakostní faktor laserové rezonanční dutiny. Specifický vzorec je Q=2T“ Energie uložená v rezonanční dutině/Ztráta energie na oscilační cyklus.
V této době funguje princip Q-spínání oscilace laseru: určitá metoda se používá k tomu, aby se rezonanční dutina na začátku čerpání dostala do stavu s vysokou ztrátou a nízkou hodnotou Q. Práh oscilace je velmi vysoký, a i když se číslo inverze hustoty částic nahromadí na velmi vysokou úroveň, nevyvolá oscilaci; když číslo inverze částic dosáhne maximální hodnoty, hodnota Q dutiny se náhle zvýší, což způsobí, že zisk laserového média značně překročí prahovou hodnotu a extrémně rychle dojde k oscilaci. V této době se energie částic uložených v metastabilním stavu rychle přemění na energii fotonů a fotony porostou extrémně vysokou rychlostí. Laser může vydávat laserový puls s vysokým špičkovým výkonem a malou šířkou.
Protože ztráta rezonanční dutiny zahrnuje ztrátu odrazem, ztrátu absorpcí, ztrátu záření, ztrátu rozptylem a ztrátu přenosu, používají se různé metody pro řízení různých typů ztrát za účelem vytvoření různých technologií Q-spínání. V současnosti jsou běžnými technologiemi Q-spínání: akusticko-optické Q-spínání, elektrooptické Q-spínání a barvivové Q-spínání.
4. Uzamčení režimu:
Q-switching dokáže komprimovat šířku laserového pulsu a získat laserové pulsy o šířce pulsu v řádu mikrosekund a špičkovém výkonu v řádu gigawattů. Technologie uzamčení režimu je technologie, která dále moduluje laser speciálním způsobem a nutí fáze různých podélných režimů oscilujících v laseru, aby byly fixovány, takže každý režim může být koherentně superponován za účelem získání ultrakrátkých pulzů. Pomocí technologie uzamčení režimu lze získat ultrakrátké laserové pulzy o šířce pulzu řádově femtosekundy a špičkovým výkonem vyšším než řád T wattů. Technologie uzamčení režimu činí laserovou energii vysoce koncentrovanou v čase a je v současnosti nejpokročilejší technologií pro získání laserů s vysokým špičkovým výkonem.
Princip uzamčení režimu: Obecně platí, že nestejnoměrně rozšířené lasery vždy vytvářejí více podélných režimů. Protože neexistuje žádný jednoznačný vztah mezi frekvencí a počáteční fází každého režimu, každý režim je vzájemně nekoherentní, takže výstup intenzity světla více podélnými režimy je nekoherentním součtem každého podélného režimu. Výstupní intenzita světla v čase nepravidelně kolísá. Uzamčení režimu umožňuje, aby více podélných režimů, které mohou existovat v rezonanční dutině, synchronně oscilovalo, udržuje frekvenční intervaly každého režimu oscilace stejné a udržuje jejich počáteční fáze konstantní, takže laser vydává krátkou sekvenci pulzů s pravidelnými a stejnými časovými intervaly.
Technologie zamykání režimu se dělí na zamykání aktivního režimu a zamykání pasivního režimu. Zamykání aktivního režimu: vložte modulátor s modulační frekvencí v=c/2L do rezonanční dutiny pro modulaci amplitudy a fáze laserového výstupu, abyste dosáhli synchronní vibrace každého podélného režimu. Zamykání v pasivním režimu: do dutiny laseru vložte krabičku s barvivem s nasycenými absorpčními charakteristikami. Absorpční koeficient barvícího boxu se saturovatelnými absorpčními charakteristikami bude klesat s rostoucí intenzitou světla. V laseru, když optická pumpa budí pracovní materiál, bude každý podélný režim probíhat náhodně a intenzita světelného pole bude kolísat v důsledku jejich superpozice. Když jsou některé podélné režimy náhodou koherentně vylepšeny, objeví se části se silnější intenzitou světla, zatímco jiné části jsou slabší. Tyto pevnější části jsou méně absorbovány barvivem a ztráta není velká. Slabší části jsou více absorbovány barvivem a slábnou. V důsledku toho, že světelné pole mnohokrát prochází barvivem, jsou jasně rozlišeny silné a slabé části a nakonec jsou tyto koherentní zesilovací části v podélném režimu vybrány ve formě úzkých pulzů. Blokování pasivního módu má určité požadavky na optické vlastnosti barvicí skříňky: absorpční linie barviva musí být velmi blízko vlnové délce laseru; šířka čáry absorpční čáry musí být větší nebo rovna šířce laserové čáry; a doba relaxace musí být kratší než doba, za kterou se puls pohybuje tam a zpět v dutině.
