Dessa fyra teknologier diskuteras tillsammans eftersom de alla direkt påverkar utdataegenskaperna för laserresonans.
1. Val av läge:
Lägesval är egentligen frekvensval. De flesta lasrar använder längre resonanshålrum för att erhålla större utgångsenergi, vilket gör laserutgången i flera lägen. Jämfört med lägen av högre ordning har dock det fundamentala tvärgående läget (TEM00-läget) egenskaperna hög ljusstyrka, liten divergensvinkel, enhetlig radiell ljusintensitetsfördelning och enkel oscillationsfrekvens, och har den bästa rumsliga och tidsmässig störning. Därför är en enda fundamental transversellt lägeslaser en idealisk koherent ljuskälla, vilket är mycket viktigt för tillämpningar som laserinterferometri, spektralanalys och laserbehandling. För att uppfylla dessa villkor måste åtgärder för att begränsa laseroscillationsmoden vidtas för att undertrycka driften av de flesta resonansfrekvenser i multimodslasrar, och använda modvalsteknik för att erhålla enkelmods enkelfrekvenslaserutgång.
Val av läge är uppdelat på två sätt: det ena är valet av laserns longitudinella läge och det andra är valet av tvärgående laserläge. Den förra har en större inverkan på laserns utgångsfrekvens och kan avsevärt förbättra laserns koherens: den senare påverkar huvudsakligen enhetligheten i ljusintensiteten hos laserutgången och förbättrar laserns ljusstyrka.
Val av longitudinellt läge: För att förbättra ljusstrålens monokromaticitet och koherenslängd är det nödvändigt att få lasern att arbeta i ett longitudinellt läge. Men många lasrar har ofta flera longitudinella moder som oscillerar samtidigt. För att utforma en enda longitudinell modlaser måste därför en frekvensvalsmetod användas. Vanliga metoder inkluderar: korthålighetsmetod, Fabry-Pulloff etalonmetoden, trereflektormetoden, etc.
2) Val av tvärläge: Villkoret för laseroscillation är att förstärkningskoefficienten måste vara större än förlustkoefficienten. Förlusten kan delas in i diffraktionsförluster relaterade till den tvärgående modordningen och andra förluster som inte är relaterade till oscillationsmoden. Kärnan i det fundamentala tvärmodsvalet är att få TEM00-läget att nå oscillationsvillkoret, medan oscillationen av den högre ordningens tvärgående moden undertrycks. Därför kan syftet med att välja den tvärgående moden uppnås genom att helt enkelt styra transmissionsförlusten för varje högre ordningsmod. Generellt sett, så länge som TEM01-moden och TEM10-modoscillationerna som är en ordning högre än den fundamentala tvärmoden kan undertryckas, kan svängningen av andra högre ordningens moder undertryckas. Vanliga metoder inkluderar: bländarmetod, fokuseringsbländarmetod och konkav-konvex kavitet, lägesval med Q-switching, etc. Intrakavitets teleskopmetod,
2. Frekvensstabilisering:
Efter att lasern har erhållit enfrekvent oscillation genom modval, på grund av förändringar i interna och externa förhållanden, kommer resonansfrekvensen fortfarande att röra sig inom hela den linjära bredden. Detta fenomen kallas "frekvensdrift". På grund av förekomsten av drift uppstår problemet med laserfrekvensstabilitet. Syftet med frekvensstabilisering är att försöka kontrollera dessa kontrollerbara faktorer för att minimera deras interferens med oscillationsfrekvensen och därigenom förbättra stabiliteten hos laserfrekvensen.
Frekvensstabilitet innefattar två aspekter: frekvensstabilitet och frekvensreproducerbarhet. Frekvensstabilitet avser förhållandet mellan laserns frekvensdrift och oscillationsfrekvensen under den subkontinuerliga arbetstiden. Ju mindre förhållande, desto högre frekvensstabilitet. Frekvensreproducerbarhet är den relativa förändringen i frekvens när lasern används i olika miljöer. Frekvensstabiliseringsmetoder är indelade i passiva och aktiva typer. De specifika frekvensstabiliseringsmetoderna är: Lammsagmetoden och mättnadsabsorptionsmetoden.
3. Q-switch:
I allmänhet är ljuspulserna som matas ut av halvledarpulslasrar inte enstaka jämna pulser, utan en sekvens av små spikpulser med olika intensiteter på mikrosekundnivån. Denna ljuspulssekvens varar i hundratals mikrosekunder eller till och med några tiondelar av en sekund, och dess toppeffekt är bara tiotals kilowatt, vilket är långt ifrån att uppfylla behoven för praktiska tillämpningar som laserradar och laseravståndsbestämning. Av denna anledning har vissa människor föreslagit konceptet Q-switching, som har förbättrat uteffekten av laserpulser med flera storleksordningar, komprimerat pulsbredden till nanosekundnivån och toppeffekten är så hög som gigawatt.
Q hänvisar till kvalitetsfaktorn för laserresonanshåligheten. Den specifika formeln är Q=2n*energi lagrad i resonanshålrummet/energi förlorad per oscillationscykel.
Q-switch-princip: En viss metod används för att göra resonanshålrummet i ett högförlust- och lågt-Q-värde tillstånd i början av pumpningen. Vid denna tidpunkt är tröskeln för laseroscillation mycket hög, och även om partikeldensitetsinversionstalet ackumuleras till en mycket hög nivå, kommer det inte att producera oscillation: när partikelinversionstalet når toppvärdet, Q-värdet för kaviteten ökas plötsligt, vilket kommer att få lasermediets förstärkning att kraftigt överskrida tröskeln och producera svängningar extremt snabbt. Vid denna tidpunkt kommer energin hos partiklarna som lagras i det metastabila tillståndet snabbt att omvandlas till energin hos fotoner. Fotonerna ökar i extremt hög hastighet och lasern kan mata ut en laserpuls med hög toppeffekt och smal bredd.
Eftersom förlusten av resonanshåligheten inkluderar reflektionsförlust, absorptionsförlust, diffraktionsförlust, spridningsförlust och transmissionsförlust, används olika metoder för att kontrollera olika typer av förluster för att bilda olika Q-switching-teknologier. För närvarande är de vanliga Q-switching-teknologierna: akusto-optisk Q-switching, elektro-optisk Q-switching och dye Q-switching.
4. Lägeslåsning:
Q-switching kan komprimera laserpulsbredden för att erhålla laserpulser med en pulsbredd i storleksordningen mikrosekunder och en toppeffekt i storleksordningen gigawatt. Lägeslåsningsteknik är en teknik som ytterligare modulerar lasern på ett speciellt sätt, vilket tvingar fasen för varje longitudinell mod som oscillerar i lasern att fixeras, så att varje mod är koherent överlagrat för att erhålla en ultrakort puls. Med hjälp av modlåsningsteknik kan ultrakorta laserpulser med en pulsbredd i storleksordningen femtosekunder och en toppeffekt högre än storleksordningen T watt erhållas. Lägeslåsningsteknik gör laserenergin mycket koncentrerad i tiden och är för närvarande den mest avancerade tekniken för att erhålla lasrar med hög toppeffekt.
Lägeslåsningsprincip: I allmänhet producerar ojämnt breddade lasrar alltid flera longitudinella lägen. Eftersom det inte finns något bestämt samband mellan frekvensen och den initiala fasen för varje mod, är moderna inkoherenta med varandra, så ljusintensiteten som utmatas av flera longitudinella moder är den inkoherenta additionen av varje longitudinell mod. Utgångsljusintensiteten fluktuerar oregelbundet över tiden. Modlåsning tillåter flera longitudinella moder som kan existera i resonanshålrummet att oscillera synkront, håller frekvensintervallen för varje oscillationsmod lika och håller deras initiala faser konstanta, så att lasern matar ut en kort pulssekvens med regelbundna och lika intervall i tiden.
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 >= laserlinjens bredd; avslappningstiden måste vara kortare än den tid det tar för pulsen att färdas fram och tillbaka en gång.
