Disse fire teknologiene diskuteres sammen fordi de alle direkte påvirker utgangsegenskapene til laserresonans.
1. Modusvalg:
Modusvalg er faktisk frekvensvalg. De fleste lasere bruker lengre resonanshulrom for å oppnå større utgangsenergi, noe som gjør laserutgangen til multi-modus. Sammenlignet med moduser av høyere orden, har imidlertid den fundamentale tverrmodus (TEM00-modus) egenskapene høy lysstyrke, liten divergensvinkel, jevn radiell lysintensitetsfordeling og enkel oscillasjonsfrekvens, og har den beste romlige og tidsmessig forstyrrelse. Derfor er en enkelt fundamental transversell moduslaser en ideell sammenhengende lyskilde, noe som er svært viktig for applikasjoner som laserinterferometri, spektralanalyse og laserbehandling. For å oppfylle disse betingelsene, må tiltak for å begrense laseroscillasjonsmodusen vedtas for å undertrykke driften av de fleste resonansfrekvenser i multimoduslasere, og bruke modusvalgteknologi for å oppnå enkeltmodus enkeltfrekvenslaserutgang.
Modusvalg er delt inn i to måter: den ene er valget av laser langsgående modus, og den andre er valget av laser tverrmodus. Førstnevnte har en større innvirkning på utgangsfrekvensen til laseren og kan i stor grad forbedre koherensen til laseren: sistnevnte påvirker hovedsakelig jevnheten til lysintensiteten til laserutgangen og forbedrer lysstyrken til laseren.
Valg av longitudinell modus: For å forbedre monokromaticiteten og koherenslengden til lysstrålen, er det nødvendig å få laseren til å fungere i en enkelt langsgående modus. Imidlertid har mange lasere ofte flere langsgående moduser som svinger samtidig. Derfor, for å designe en enkelt longitudinell moduslaser, må en frekvensvalgmetode brukes. Vanlige metoder inkluderer: kort hulrom metode, Fabry-Pulloff etalon metode, tre-reflektor metode, etc.
2) Tverrmodusvalg: Betingelsen for laseroscillasjon er at forsterkningskoeffisienten må være større enn tapskoeffisienten. Tapet kan deles inn i diffraksjonstap relatert til tverrmodusrekkefølgen og andre tap som ikke er relatert til oscillasjonsmodusen. Essensen av det grunnleggende tverrgående modusvalget er å få TEM00-modusen til å nå oscillasjonstilstanden, mens oscillasjonen til den høyere ordens tverrmodus undertrykkes. Derfor kan formålet med å velge tverrmodus oppnås ved ganske enkelt å kontrollere overføringstapet for hver høyere ordensmodus. Generelt sett, så lenge TEM01-modus- og TEM10-modusoscillasjonene som er én orden høyere enn den fundamentale tverrmodusen kan undertrykkes, kan oscillasjonen til andre moduser av høyere orden undertrykkes. Vanlige metoder inkluderer: blenderåpningsmetode, fokuseringsåpningsmetode og konkav-konveks hulrom, modusvalg ved bruk av Q-switching osv. Intrakavitetteleskopmetode,
2. Frekvensstabilisering:
Etter at laseren oppnår enkeltfrekvensoscillasjon gjennom modusvalg, på grunn av endringer i interne og eksterne forhold, vil resonansfrekvensen fortsatt bevege seg innenfor hele den lineære bredden. Dette fenomenet kalles "frekvensdrift". På grunn av eksistensen av drift oppstår problemet med laserfrekvensstabilitet. Hensikten med frekvensstabilisering er å prøve å kontrollere disse kontrollerbare faktorene for å minimere deres interferens med oscillasjonsfrekvensen, og derved forbedre stabiliteten til laserfrekvensen.
Frekvensstabilitet inkluderer to aspekter: frekvensstabilitet og frekvensreproduserbarhet. Frekvensstabilitet refererer til forholdet mellom frekvensdriften til laseren og oscillasjonsfrekvensen under den subkontinuerlige arbeidstiden. Jo mindre forholdet er, desto høyere er frekvensstabiliteten. Frekvensreproduserbarhet er den relative endringen i frekvens når laseren brukes i forskjellige miljøer. Frekvensstabiliseringsmetoder er delt inn i passive og aktive typer. De spesifikke frekvensstabiliseringsmetodene er: Lammesagmetode og metningsabsorpsjonsmetode.
3. Q-switching:
Generelt er ikke lyspulsene som sendes ut av solid-state pulslasere, enkle glatte pulser, men en sekvens av små piggpulser med forskjellige intensiteter på mikrosekundnivå. Denne lyspulssekvensen varer i hundrevis av mikrosekunder eller til og med noen få tideler av et sekund, og toppeffekten er bare titalls kilowatt, noe som langt fra oppfyller behovene til praktiske applikasjoner som laserradar og laseravstandsmåling. Av denne grunn har noen mennesker foreslått konseptet Q-switching, som har forbedret utgangsytelsen til laserpulser med flere størrelsesordener, komprimert pulsbredden til nanosekundnivået, og toppeffekten er så høy som gigawatt.
Q refererer til kvalitetsfaktoren til laserresonanshulrommet. Den spesifikke formelen er Q=2n*energi lagret i resonanshulrommet/energien tapt per oscillasjonssyklus.
Q-svitsjprinsipp: En bestemt metode brukes for å gjøre resonanshulrommet i en tilstand med høyt tap og lav Q-verdi ved begynnelsen av pumpingen. På dette tidspunktet er terskelen for laseroscillasjon veldig høy, og selv om partikkeltetthetsinversjonstallet akkumuleres til et veldig høyt nivå, vil det ikke produsere oscillasjon: når partikkelinversjonstallet når toppverdien, Q-verdien til hulrommet økes plutselig, noe som vil føre til at forsterkningen av lasermediet i stor grad overskrider terskelen og produserer svingninger ekstremt raskt. På dette tidspunktet vil energien til partiklene som er lagret i metastabil tilstand raskt bli omdannet til energien til fotoner. Fotonene øker med ekstremt høy hastighet, og laseren kan sende ut en laserpuls med høy toppeffekt og smal bredde.
Fordi tapet av resonanshulrommet inkluderer refleksjonstap, absorpsjonstap, diffraksjonstap, spredningstap og transmisjonstap, brukes forskjellige metoder for å kontrollere forskjellige typer tap for å danne forskjellige Q-switching-teknologier. For tiden er de vanlige Q-switching-teknologiene: akusto-optisk Q-switching, elektro-optisk Q-switching og dye Q-switching.
4. Moduslåsing:
Q-switching kan komprimere laserpulsbredden for å oppnå laserpulser med en pulsbredde i størrelsesorden mikrosekunder og en toppeffekt i størrelsesorden gigawatt. Moduslåsingsteknologi er en teknologi som videremodulerer laseren på en spesiell måte, og tvinger fasen til hver langsgående modus som oscillerer i laseren til å bli fikset, slik at hver modus er koherent overlagret for å oppnå en ultrakort puls. Ved å bruke moduslåseteknologi kan ultrakorte laserpulser med en pulsbredde i størrelsesorden femtosekunder og en toppeffekt høyere enn størrelsesorden T watt oppnås. Moduslåseteknologi gjør laserenergien svært konsentrert i tid og er for tiden den mest avanserte teknologien for å oppnå lasere med høy toppeffekt.
Moduslåsingsprinsipp: Generelt produserer ikke-jevnt utvidede lasere alltid flere langsgående moduser. Siden det ikke er noe bestemt forhold mellom frekvensen og startfasen for hver modus, er modusene usammenhengende med hverandre, så lysintensiteten som sendes ut av flere langsgående moduser er den usammenhengende tillegget av hver langsgående modus. Utgangslysintensiteten svinger uregelmessig over tid. Moduslåsing lar flere langsgående moduser som kan eksistere i resonanshulrommet oscillere synkront, holder frekvensintervallene til hver oscillasjonsmodus like og holder startfasene konstante, slik at laseren sender ut en kort pulssekvens med jevne og like intervaller i tid.
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 >= laserlinjebredden; avspenningstiden må være kortere enn tiden det tar for pulsen å reise frem og tilbake én gang.
