Тези четири технологии се обсъждат заедно, защото всички те пряко влияят на изходните характеристики на лазерния резонанс.
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 и 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 режима на лазерно трептене, за да се потисне работата на повечето резонансни честоти в многомодовите лазери и да се използва технология за избор на режим, за да се получи едномодов едночестотен лазерен изход.
Изборът на режим е разделен на два начина: единият е изборът на лазерен надлъжен режим, а другият е изборът на лазерен напречен режим. Първото има по-голямо влияние върху изходната честота на лазера и може значително да подобри кохерентността на лазера: второто влияе главно върху равномерността на интензитета на светлината на лазерния изход и подобрява яркостта на лазера.
Избор на надлъжен режим: За да се подобри монохроматичността и кохерентната дължина на светлинния лъч, е необходимо лазерът 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-Пулоф, метод с три рефлектора и др.
2) Избор на напречен режим: Условието за лазерно трептене е коефициентът на усилване да бъде по-голям от коефициента на загуба. Загубата може да бъде разделена на загуба от дифракция, свързана с реда на напречния режим, и други загуби, несвързани с режима на трептене. Същността на основния избор на напречен режим е режимът TEM00 да достигне състоянието на трептене, докато трептенията на напречния мод от по-висок порядък се потискат. Следователно целта за избор на напречен режим може да бъде постигната чрез просто контролиране на загубата на предаване на всеки режим от по-висок ред. 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 апертура и вдлъбнато-изпъкнала кухина, избор на режим с помощта на Q-превключване и т.н.
2. Стабилизиране на честотата:
След като лазерът получи едночестотно трептене чрез избор на режим, поради промени във вътрешните и външните условия, резонансната честота все още ще се движи в рамките на цялата линейна ширина. 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.
Стабилността на честотата включва два аспекта: стабилност на честотата и възпроизводимост на честотата. Стабилността на честотата се отнася до съотношението на дрейфа на честотата на лазера към честотата на трептене по време на суб-непрекъснатото работно време. Колкото по-малко е съотношението, толкова по-висока е стабилността на честотата. Възпроизводимостта на честотата е относителната промяна в честотата, когато лазерът се използва в различни среди. Методите за стабилизиране на честотата са разделени на пасивни и активни типове. Специфичните методи за стабилизиране на честотата са: метод на Lamb sag и метод на абсорбция на насищане.
3. Q-превключване:
Като цяло светлинните импулси, извеждани от твърдотелни импулсни лазери, не са единични плавни импулси, а поредица от малки пикови импулси с различен интензитет на микросекундно ниво. Тази поредица от светлинни импулси трае стотици микросекунди или дори няколко десети от секундата, 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=2n*енергия, съхранена в резонансната кухина/енергия, загубена за цикъл на трептене.
Принцип на Q-превключване: Използва се определен метод, за да се направи резонансната кухина в състояние с големи загуби и ниска стойност на Q в началото на изпомпването. По това време прагът на лазерната осцилация е много висок и дори ако числото на инверсия на плътността на частиците се натрупа до много високо ниво, то няма да доведе до осцилация: когато числото на инверсия на частиците достигне пиковата стойност, Q стойността на кухината внезапно се увеличава, което ще накара усилването на лазерната среда да надхвърли значително прага и да предизвика трептения изключително бързо. По това време енергията на частиците, съхранявана в метастабилно състояние, бързо ще се преобразува в енергията на фотоните. Фотоните се увеличават с изключително висока скорост и 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 дифракция, 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, за 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 фазата на всеки надлъжен мод, осцилиращ в лазера, да бъде фиксирана, така че всеки мод да се наслагва кохерентно, за да се получи ултракъс импулс. 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 модове. Тъй като няма определена връзка между честотата и началната фаза на всеки режим, режимите са некохерентни 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.
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 >= ширината на лазерната линия; времето за релаксация трябва да е по-кратко от времето, необходимо на пулса да се придвижи напред и назад веднъж.
