Tyto čtyři technologie jsou diskutovány společně, protože všechny přímo ovlivňují výstupní charakteristiky laserové rezonance.
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) vlastnosti vysokého jasu, malého úhlu divergence, rovnoměrného rozložení radiální intenzity světla a frekvence jediné oscilace a má nejlepší prostorové a časové rušení. 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 režimu oscilace laseru, aby se potlačila činnost většiny rezonančních frekvencí v multimódových laserech, a aby se získal jednorežimový jednofrekvenční laserový výstup, použít technologii volby režimu.
Výběr režimu je rozdělen do dvou způsobů: jedním je výběr podélného režimu laseru a druhým je výběr příčného režimu laseru. První jmenovaný má větší vliv na výstupní frekvenci laseru a může výrazně zlepšit koherenci laseru: druhý ovlivňuje především rovnoměrnost intenzity světla výstupu laseru a zlepšuje jas laseru.
Volba podélného režimu: Pro zlepšení monochromatičnosti a koherenční délky světelného paprsku je nutné, aby laser pracoval v jednom 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, Fabryho-Pulloffova etalonová metoda, tříreflektorová metoda atd.
2) Volba příčného režimu: Podmínkou pro oscilaci laseru je, že koeficient zisku musí být větší než koeficient ztráty. Ztrátu lze rozdělit na difrakční ztrátu související s řádem příčného vidu a ostatní ztráty nesouvisející s režimem oscilace. Podstatou výběru základního příčného režimu je dosáhnout toho, aby režim TEM00 dosáhl podmínky oscilace, zatímco oscilace příčného režimu vyššího řádu je potlačena. Účelu výběru příčného režimu lze tedy dosáhnout jednoduchým řízením přenosové ztráty každého režimu vyššího řádu. Obecně řečeno, pokud lze potlačit oscilace v režimu TEM01 a režimu TEM10, které jsou o jeden řád vyšší než základní příčný režim, lze potlačit oscilace jiných režimů vyššího řádu. Mezi běžné metody patří: aperturní metoda, metoda zaostřovací apertury a konkávně-konvexní dutina, výběr režimu pomocí Q-switchingu atd. Metoda intrakavitálního dalekohledu,
2. Stabilizace frekvence:
Poté, co laser získá jednofrekvenční oscilaci prostřednictvím volby režimu, v důsledku změn vnitřních a vnějších podmínek, se rezonanční frekvence bude stále pohybovat v celé lineární šířce. 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 týká poměru frekvenčního driftu laseru k frekvenci oscilací během subkontinuální pracovní doby. Čím menší je poměr, tím vyšší je stabilita frekvence. Reprodukovatelnost frekvence je relativní změna frekvence při použití laseru v různých prostředích. Metody stabilizace frekvence se dělí na pasivní a aktivní typy. Specifické metody stabilizace frekvence jsou: 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 špičatých pulsů s různou intenzitou na úrovni mikrosekund. Tato sekvence světelných pulsů trvá stovky mikrosekund nebo dokonce několik desetin sekundy 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-switching, který zlepšil výstupní výkon laserových pulsů o několik řádů, stlačil šířku pulsu na úroveň nanosekund a špičkový výkon je až gigawatty.
Q označuje jakostní faktor laserové rezonanční dutiny. Specifický vzorec je Q=2n*energie uložená v rezonanční dutině/ztráta energie za oscilační cyklus.
Princip Q-spínání: Určitá metoda se používá k uvedení rezonanční dutiny do stavu s vysokou ztrátou a nízkou hodnotou Q na začátku čerpání. V tomto okamžiku je práh oscilace laseru 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 vytvoří oscilace. V této době se energie částic uložených v metastabilním stavu rychle přemění na energii fotonů. Fotony rostou extrémně vysokou rychlostí a laser může vydávat laserový puls s vysokým špičkovým výkonem a malou šířkou.
Protože ztráta rezonanční dutiny zahrnuje ztrátu odrazem, ztrátu absorpcí, difrakční ztrátu, ztrátu rozptylem a ztrátu prostupem, používají se různé metody pro řízení různých typů ztrát za účelem vytvoření různých technologií Q-spínání. V současné době jsou běžnými technologiemi Q-spínání: akusticko-optické Q-spínání, elektrooptické Q-spínání a barvivové Q-spínání.
4. Uzamčení režimu:
Q-přepínání může komprimovat šířku laserového pulsu a získat laserové pulsy s šířkou pulsu v řádu mikrosekund a špičkovým výkonem v řádu gigawattů. Technologie uzamčení režimu je technologie, která dále moduluje laser speciálním způsobem a nutí k fixaci fáze každého podélného režimu oscilujícího v laseru, takže každý režim je koherentně superponován, aby se získal ultrakrátký pulz. 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 definitivní vztah mezi frekvencí a počáteční fází každého režimu, režimy jsou navzájem 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.
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 >= šířka laserové čáry; doba relaxace musí být kratší než doba, za kterou pulz jednou přejde tam a zpět.
