Лазерна технология: избор на режим, стабилизиране на честотата, Q-превключване и заключване на режима

Тези четири технологии се обсъждат заедно, защото всички те пряко влияят на изходните характеристики на лазерната резонансна кухина.

1. Избор на режим:
Изборът на режим всъщност е избор на честота. Повечето лазери използват по-дълги резонансни кухини, за да получат по-голяма изходна енергия, което прави лазерния изход многомодов. Въпреки това, в сравнение с режимите от по-висок порядък, основният напречен режим (TEM00 режим) има характеристиките на висока яркост, малък ъгъл на отклонение, равномерно радиално разпределение на интензитета на светлината и единична честота на трептене. Има най-добрата пространствена и времева намеса. Следователно един основен лазер с напречен режим е идеален източник на кохерентна светлина, което е много важно за приложения като лазерна интерферометрия, спектрален анализ и лазерна обработка. За да се изпълнят тези условия, трябва да се приемат мерки за ограничаване на лазерните трептения, за да се потисне работата на повечето резонансни честоти в многомодовите лазери и да се използва технология за избор на режим за получаване на едномодов едночестотен лазерен изход.

Изборът на режим е разделен на два начина: единият е избор на лазерен надлъжен режим; другият е избор на лазерен напречен режим. Първият има по-голямо въздействие върху изходната честота на лазера и може значително да подобри кохерентността на лазера; последното засяга главно равномерността на интензитета на светлината на лазерния изход и подобрява яркостта на лазера.

1)Избор на надлъжен режим: За да се подобри монохроматичността и кохерентната дължина на лъча, лазерът трябва да работи в единичен надлъжен режим. Много лазери обаче често имат няколко надлъжни режима, осцилиращи едновременно. Следователно, за да се проектира лазер с един надлъжен режим, трябва да се използва метод за избор на честота. Общите методи включват: метод с къса кухина, метод на еталона на Фабри-Плой, метод с три огледала и др.

2)Избор на напречен режим: Условието за лазерно трептене е коефициентът на усилване да бъде по-голям от коефициента на загуба. Загубите могат да бъдат разделени на загуби на линейни емисии, свързани с реда на напречния режим и други загуби, независими от режима на трептене. Същността на избора на основния напречен режим е режимът TEM00 да достигне условия на трептене и да потисне трептенията на напречните модове от по-висок ред. Следователно трябва само да контролираме загубата на линейни емисии на всеки режим от висок ред, за да постигнем целта за избор на напречни режими. Най-общо казано, докато колебанията на режима TEM01 и режима TEM10, които са с един порядък по-високи от основния напречен режим, могат да бъдат потиснати, колебанията на други режими от по-висок порядък могат да бъдат потиснати. Общите методи включват: метод на апертура, метод на фокусираща бленда и метод на телескоп с вътрешна кухина, вдлъбната-изпъкнала кухина, използване на избор на режим с превключване на Q и др.

2. Стабилизиране на честотата:
След като лазерът получи едночестотно трептене чрез избор на режим, резонансната честота все още ще се движи в рамките на цялата линейна ширина поради промени във вътрешните и външните условия. Това явление се нарича "честотен дрейф". Поради наличието на дрейф възниква проблемът за стабилността на лазерната честота. Целта на стабилизирането на честотата е да се опита да контролира тези контролируеми фактори, за да минимизира тяхната интерференция с честотата на трептене, като по този начин подобрява стабилността на честотата на лазера.
Честотната стабилност включва два аспекта: честотна стабилност и честотна възпроизводимост. Стабилността на честотата се отнася до съотношението на дрейфа на честотата на лазера към честотата на трептене в рамките на непрекъснато работно време. Колкото по-малко е съотношението, толкова по-висока е стабилността на честотата. Честотното възпроизвеждане е относителната промяна в честотата, когато лазерът се използва в различни среди. Методите за стабилизиране на честотата са разделени на два вида: пасивни и активни. Специфичните методи за стабилизиране на честотата включват: метод на Lamb sag и метод на абсорбция на насищане.

3. Q-превключване:
Като цяло светлинните импулси, извеждани от импулсни лазери в твърдо състояние, не са единични плавни импулси, а поредица от малки пикови импулси с различен интензитет и ширина в микросекундния диапазон. Тази последователност от светлинни импулси продължава стотици микросекунди или дори милисекунди, а пиковата му мощност е само десетки киловати, което далеч не отговаря на нуждите на практическите приложения като лазерен радар и лазерно определяне на разстояние. Поради тази причина някои хора предложиха концепцията за Q-превключване, която подобри изходната производителност на лазерните импулси с няколко порядъка, компресира ширината на импулса до ниво на наносекунда, а пиковата мощност е толкова висока, колкото гигават.
Q се отнася до качествения фактор на лазерната резонансна кухина. Конкретната формула е Q=2T"Енергия, съхранявана в резонансната кухина/Енергия, загубена за цикъл на трептене.

По това време принципът на Q-превключване на лазерни трептения: използва се определен метод, за да се направи резонансната кухина в състояние с големи загуби и ниска стойност на Q в началото на изпомпването. Прагът на трептене е много висок и дори ако числото на инверсията на плътността на частиците се натрупа до много високо ниво, то няма да доведе до трептене; когато числото на инверсия на частиците достигне пиковата стойност, Q стойността на кухината внезапно се увеличава, което ще доведе до усилването на лазерната среда значително да надвиши прага и трептенията ще настъпят изключително бързо. По това време енергията на частиците, съхранени в метастабилно състояние, бързо ще се преобразува в енергията на фотоните и фотоните ще нарастват с изключително висока скорост. Лазерът може да изведе лазерен импулс с висока пикова мощност и малка ширина.

Тъй като загубата на резонансната кухина включва загуба на отражение, загуба на абсорбция, загуба на радиация, загуба на разсейване и загуба на предаване, се използват различни методи за контролиране на различни видове загуби, за да се формират различни технологии за Q-превключване. Понастоящем общите технологии за Q-превключване са: акустооптично Q-превключване, електрооптично Q-превключване и багрилно Q-превключване.

4. Заключване на режима:
Q-превключването може да компресира ширината на лазерния импулс и да получи лазерни импулси с ширина на импулса от порядъка на микросекунди и пикова мощност от порядъка на гигавати. Технологията за заключване на режима е технология, която допълнително модулира лазера по специален начин, принуждавайки фазите на различните надлъжни модове, осцилиращи в лазера, да бъдат фиксирани, така че всеки мод да може да бъде кохерентно насложен, за да се получат ултракъси импулси. Използвайки технологията за заключване на режима, могат да се получат ултракъси лазерни импулси с ширина на импулса от порядъка на фемтосекунди и пикова мощност, по-висока от порядъка на T вата. Технологията за заключване на режима прави лазерната енергия силно концентрирана във времето и в момента е най-модерната технология за получаване на лазери с висока пикова мощност.

Принцип на заключване на режима: Като цяло лазерите с неравномерно разширение винаги произвеждат множество надлъжни режими. Тъй като няма определена връзка между честотата и началната фаза на всеки режим, всеки режим е некохерентен един с друг, така че изходният интензитет на светлината от множество надлъжни моди е некохерентното добавяне на всеки надлъжен мод. Интензитетът на изходната светлина варира неравномерно във времето. Заключването на режима позволява множество надлъжни режими, които могат да съществуват в резонансната кухина, да осцилират синхронно, поддържа честотните интервали на всеки режим на трептене еднакви и поддържа техните начални фази постоянни, така че лазерът извежда кратка импулсна последователност с редовни и равни интервали във времето.

Технологията за заключване на режима е разделена на заключване на активен режим и заключване на пасивен режим. Заключване на активен режим: вмъкнете модулатор с честота на модулация v=c/2L в резонансната кухина, за да модулирате амплитудата и фазата на лазерния изход, за да постигнете синхронна вибрация на всеки надлъжен режим. Заключване на пасивен режим: поставете кутия за боядисване с характеристики на наситена абсорбция в лазерната кухина. Коефициентът на поглъщане на кутията за багрило с характеристики на насищане на поглъщане ще намалее с увеличаване на интензитета на светлината. В лазера, тъй като оптичната помпа възбужда работния материал, всеки надлъжен режим ще се появи произволно и светлинното поле ще варира в интензитет поради тяхната суперпозиция. Когато някои надлъжни режими са кохерентно подобрени случайно, се появяват части с по-силен интензитет на светлината, докато други части са по-слаби. Тези по-здрави части се абсорбират по-малко от багрилото и загубата не е голяма. По-слабите части се абсорбират повече от багрилото и стават по-слаби. В резултат на светлинното поле, преминаващо през багрилото много пъти, силните и слабите части са ясно разграничени и накрая тези части за кохерентно усилване на надлъжния режим се избират под формата на тесни импулси. Заключването на пасивния режим има определени изисквания към оптичните свойства на кутията за багрило: абсорбционната линия на багрилото трябва да бъде много близка до дължината на вълната на лазера; ширината на линията на абсорбционната линия трябва да бъде по-голяма или равна на ширината на лазерната линия; и времето за релаксация трябва да бъде по-кратко от времето, необходимо на импулса да се придвижи напред-назад в кухината.