Dessa fyra teknologier diskuteras tillsammans eftersom de alla direkt påverkar utgångsegenskaperna hos laserresonanshåligheten.
1. Val av läge:
Lägesval är egentligen frekvensval. De flesta lasrar använder längre resonanshåligheter för att erhålla större utgångsenergi, vilket gör laserutgången i flera lägen. Jämfört med högre ordningens lägen har emellertid det fundamentala tvärgående läget (TEM00-läget) egenskaperna hög ljusstyrka, liten divergensvinkel, enhetlig radiell ljusintensitetsfördelning och enkel oscillationsfrekvens. Den har den bästa rumsliga och tidsmässiga interferensen. Därför är en enda fundamental transversellt lägeslaser en idealisk koherent ljuskälla, vilket är mycket viktigt för tillämpningar som laserinterferometri, spektralanalys och laserbehandling. För att möta dessa villkor måste åtgärder för att begränsa laseroscillation antas 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: ett är valet av laserns longitudinella läge; den andra är valet av lasertvärläge. Den förra har en större inverkan på laserns utfrekvens och kan avsevärt förbättra laserns koherens; det senare påverkar huvudsakligen enhetligheten i ljusintensiteten hos laserutgången och förbättrar laserns ljusstyrka.
1)Val av longitudinellt läge: För att förbättra strålens monokromaticitet och koherenslängd måste lasern arbeta i ett enda 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: metoden med kort hålighet, Fabry-Ploy etalon-metoden, metoden med tre spegel, etc.
2)Val av tvärläge: Villkoret för laseroscillation är att förstärkningskoefficienten måste vara större än förlustkoefficienten. Förlusterna kan delas in i linjeemissionsförluster relaterade till den tvärgående modordningen och andra förluster oberoende av oscillationsmoden. Kärnan i att välja det fundamentala transversella läget är att få TEM00-läget att nå svängningsförhållanden och undertrycka svängningen av högre ordningens transversella moder. Därför behöver vi bara kontrollera linjeemissionsförlusten för varje högordningsläge för att uppnå syftet med att välja tvärgående lägen. Generellt sett, så länge som TEM01-moden och TEM10-modoscillationerna som är en ordning högre än den fundamentala tvärmoden kan undertryckas, kan svängningarna för andra högre ordningens moder undertryckas. Vanliga metoder inkluderar: aperturmetod, fokuseringsbländarmetod och intrakavitetsteleskopmetod, konkav-konvex kavitet, med användning av Q-switched lägesval, etc.
2. Frekvensstabilisering:
Efter att lasern har erhållit enkelfrekvenssvängning genom modval, kommer resonansfrekvensen fortfarande att röra sig inom hela den linjära bredden på grund av förändringar i interna och externa förhållanden. 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 inom en kontinuerlig arbetstid. Ju mindre förhållande, desto högre frekvensstabilitet. Frekvensreproduktion är den relativa förändringen i frekvens när lasern används i olika miljöer. Frekvensstabiliseringsmetoder är indelade i två typer: passiva och aktiva. Specifika frekvensstabiliseringsmetoder inkluderar: Lammsagmetoden och mättnadsabsorptionsmetod.
3. Q-switch:
I allmänhet är ljuspulserna som matas ut av halvledarpulslasrar inte enstaka jämna pulser, utan en sekvens av små topppulser med varierande intensiteter och bredder i mikrosekundområdet. Denna ljuspulssekvens varar i hundratals mikrosekunder eller till och med millisekunder, och dess toppeffekt är bara tiotals kilowatt, vilket är långt ifrån att tillgodose behoven för praktiska tillämpningar som laserradar och laseravståndsavstånd. Av denna anledning har vissa människor föreslagit konceptet Q-switching, som har förbättrat uteffekten för 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=2T"Energi lagrad i resonanshålrummet/energiförlust per oscillationscykel.
Vid denna tidpunkt, principen för laseroscillation Q-switching: en viss metod används för att göra resonanshålrummet i ett högförlust och lågt Q-värde tillstånd i början av pumpningen. Svängningströskeln är mycket hög, och även om partikeldensitetsinversionstalet ackumuleras till en mycket hög nivå, kommer det inte att producera oscillation; när partikelinversionstalet når toppvärdet, ökas plötsligt Q-värdet för kaviteten, vilket kommer att få lasermediets förstärkning att kraftigt överskrida tröskeln, och oscillation kommer att inträffa extremt snabbt. Vid denna tidpunkt kommer energin hos partiklarna som lagras i det metastabila tillståndet snabbt att omvandlas till fotonernas energi, och fotonerna kommer att öka i extremt hög hastighet. Lasern kan mata ut en laserpuls med hög toppeffekt och smal bredd.
Eftersom förlusten av resonanshåligheten inkluderar reflektionsförlust, absorptionsförlust, strålningsförlust, spridningsförlust och transmissionsförlust, används olika metoder för att kontrollera olika typer av förluster för att bilda olika Q-switching-teknologier. För närvarande är vanliga Q-switching-teknologier: akusto-optisk Q-switching, elektro-optisk Q-switching och dye Q-switching.
4. Lägeslåsning:
Q-switching kan komprimera laserpulsbredden och 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 faserna för de olika longitudinella moden som oscillerar i lasern att fixeras, så att varje mod kan överlagras koherent för att erhålla ultrakorta pulser. 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: Generellt 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 varje mod inkoherent 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.
Lägeslåsningstekniken är uppdelad i aktiv lägeslåsning och passiv lägeslåsning. Aktivt lägeslåsning: sätt in en modulator med en moduleringsfrekvens v=c/2L i resonanshålrummet för att modulera amplituden och fasen för laserutgången för att uppnå synkron vibration för varje longitudinell mod. Passiv lägeslåsning: sätt in en färgbox med mättade absorptionsegenskaper i laserhåligheten. Absorptionskoefficienten för färgboxen med mättningsbara absorptionsegenskaper kommer att minska med ökningen av ljusintensiteten. I lasern, när den optiska pumpen exciterar arbetsmaterialet, kommer varje longitudinell mod att inträffa slumpmässigt, och ljusfältet kommer att fluktuera i intensitet på grund av deras överlagring. När vissa longitudinella lägen förstärks sammanhängande av en slump, uppträder delar med starkare ljusintensitet, medan andra delar är svagare. Dessa starkare delar absorberas mindre av färgen och förlusten är inte stor. De svagare delarna absorberas mer av färgen och blir svagare. Som ett resultat av att ljusfältet passerar genom färgämnet många gånger urskiljs de starka och svaga delarna tydligt, och slutligen väljs dessa koherenta förbättringsdelar i longitudinell mod i form av smala pulser. Passiv lägeslåsning har vissa krav på färgämneslådans optiska egenskaper: färgämnets absorptionslinje måste vara mycket nära laservåglängden; absorptionslinjens linjebredd måste vara större än eller lika med laserlinjens bredd; och avslappningstiden måste vara kortare än den tid det tar för pulsen att färdas fram och tillbaka i kaviteten.
