Te štiri tehnologije so obravnavane skupaj, ker vse neposredno vplivajo na izhodne značilnosti laserske resonance.
1. Izbira načina:
Izbira načina je pravzaprav izbira frekvence. Večina laserjev uporablja daljše resonančne votline za pridobitev večje izhodne energije, zaradi česar je laserski izhod večmoden. V primerjavi z načini višjega reda pa ima osnovni transverzalni način (TEM00 način) značilnosti visoke svetlosti, majhnega razhajalnega kota, enakomerne radialne porazdelitve jakosti svetlobe in posamezne frekvence nihanja ter ima najboljšo prostorsko in časovne motnje. Zato je enojni temeljni transverzalni laser idealen vir koherentne svetlobe, kar je zelo pomembno za aplikacije, kot so laserska interferometrija, spektralna analiza in laserska obdelava. Da bi izpolnili te pogoje, je treba sprejeti ukrepe za omejitev načina laserskega nihanja za zatiranje delovanja večine resonančnih frekvenc v večnačinskih laserjih in uporabiti tehnologijo izbire načina za pridobitev enomodnega enofrekvenčnega laserskega izhoda.
Izbira načina je razdeljena na dva načina: prvi je izbor laserskega longitudinalnega načina, drugi pa je izbor laserskega prečnega načina. Prvi ima večji vpliv na izhodno frekvenco laserja in lahko močno izboljša koherenco laserja: drugi vpliva predvsem na enakomernost svetlobne jakosti laserskega izhoda in izboljša svetlost laserja.
Izbira vzdolžnega načina: Za izboljšanje monokromatičnosti in koherenčne dolžine svetlobnega žarka je potrebno zagotoviti, da laser deluje v enosmernem vzdolžnem načinu. Vendar ima veliko laserjev pogosto več vzdolžnih načinov, ki nihajo hkrati. Zato je treba za načrtovanje laserja z enim vzdolžnim načinom uporabiti metodo izbire frekvence. Običajne metode vključujejo: metodo kratke votline, metodo Fabry-Pulloff etalona, metodo treh reflektorjev itd.
2) Izbira prečnega načina: Pogoj za lasersko nihanje je, da mora biti koeficient ojačanja večji od koeficienta izgube. Izgubo lahko razdelimo na uklonsko izgubo, povezano s prečnim vrstnim redom, in druge izgube, ki niso povezane z načinom nihanja. Bistvo izbire osnovnega prečnega načina je, da način TEM00 doseže stanje nihanja, medtem ko je nihanje prečnega načina višjega reda potlačeno. Zato je namen izbire prečnega načina mogoče doseči s preprostim nadzorom prenosne izgube vsakega načina višjega reda. Na splošno, dokler je mogoče zatreti nihanja načina TEM01 in TEM10, ki so za en red višja od osnovnega prečnega načina, je mogoče zatreti nihanje drugih načinov višjega reda. Običajne metode vključujejo: metodo zaslonke, metodo fokusne zaslonke in konkavno-konveksno votlino, izbiro načina z uporabo Q-preklopa itd.
2. Stabilizacija frekvence:
Ko laser z izbiro načina pridobi enofrekvenčno nihanje, se bo zaradi sprememb notranjih in zunanjih pogojev resonančna frekvenca še vedno gibala znotraj celotne linearne širine. Ta pojav se imenuje "odmik frekvence". Zaradi obstoja drifta se pojavi problem stabilnosti frekvence laserja. Namen stabilizacije frekvence je poskušati nadzorovati te dejavnike, ki jih je mogoče nadzorovati, da bi čim bolj zmanjšali njihovo motenje frekvence nihanja in s tem izboljšali stabilnost frekvence laserja.
Stabilnost frekvence vključuje dva vidika: stabilnost frekvence in ponovljivost frekvence. Stabilnost frekvence se nanaša na razmerje med frekvenčnim odmikom laserja in frekvenco nihanja v subkontinuiranem delovnem času. Manjše kot je razmerje, večja je stabilnost frekvence. Ponovljivost frekvence je relativna sprememba frekvence, ko se laser uporablja v različnih okoljih. Metode stabilizacije frekvence so razdeljene na pasivne in aktivne vrste. Posebni metodi stabilizacije frekvence sta: metoda Lamb sag in metoda nasičene absorpcije.
3. Q-preklop:
Na splošno svetlobni impulzi, ki jih oddajajo polprevodniški impulzni laserji, niso posamezni gladki impulzi, temveč zaporedje majhnih koničnih impulzov z različnimi intenzivnostmi na ravni mikrosekund. To zaporedje svetlobnih impulzov traja več sto mikrosekund ali celo nekaj desetink sekunde, njegova največja moč pa je le nekaj deset kilovatov, kar še zdaleč ne ustreza potrebam praktičnih aplikacij, kot sta laserski radar in lasersko določanje razdalje. Iz tega razloga so nekateri predlagali koncept Q-preklopa, ki je izboljšal izhodno zmogljivost laserskih impulzov za več vrst velikosti, stisnil širino impulza na nanosekundno raven, konična moč pa je visoka do gigavatov.
Q se nanaša na faktor kakovosti laserske resonančne votline. Posebna formula je Q=2n*energija, shranjena v resonančni votlini/izguba energije na nihajni cikel.
Načelo preklopa Q: Določena metoda se uporablja za pretvorbo resonančne votline v stanje z visokimi izgubami in nizko vrednostjo Q na začetku črpanja. V tem času je prag laserskega nihanja zelo visok in tudi če se število inverzije gostote delcev kopiči na zelo visoko raven, ne bo povzročilo nihanja: ko število inverzije delcev doseže najvišjo vrednost, vrednost Q votline se nenadoma poveča, kar bo povzročilo, da bo ojačanje laserskega medija močno preseglo prag in povzročilo izjemno hitra nihanja. V tem času se bo energija delcev, shranjenih v metastabilnem stanju, hitro pretvorila v energijo fotonov. Fotoni se povečujejo z izjemno visoko hitrostjo in laser lahko odda laserski impulz z visoko konično močjo in ozko širino.
Ker izguba resonančne votline vključuje izgubo odboja, izgubo absorpcije, izgubo zaradi uklona, izgubo sipanja in izgubo prenosa, se za nadzor različnih vrst izgub uporabljajo različne metode za oblikovanje različnih tehnologij preklopa Q. Trenutno so običajne tehnologije Q-preklopa: akustično-optično Q-preklop, elektrooptično Q-preklop in barvni Q-preklop.
4. Zaklepanje načina:
Q-preklop lahko stisne širino laserskega impulza, da dobi laserske impulze s širino impulza reda mikrosekund in največjo močjo reda gigavatov. Tehnologija zaklepanja načina je tehnologija, ki nadalje modulira laser na poseben način, s čimer prisili, da se faza vsakega vzdolžnega načina, ki niha v laserju, fiksira, tako da je vsak način koherentno superponiran, da dobimo ultrakratek impulz. S tehnologijo zaklepanja načina je mogoče pridobiti ultrakratke laserske impulze s širino impulza reda femtosekund in največjo močjo, višjo od reda T vatov. Tehnologija zaklepanja načina omogoča visoko koncentracijo laserske energije v času in je trenutno najnaprednejša tehnologija za pridobivanje laserjev z visoko konično močjo.
Načelo zaklepanja modov: Na splošno neenakomerno razširjeni laserji vedno proizvajajo več vzdolžnih modov. Ker ni določenega razmerja med frekvenco in začetno fazo vsakega načina, sta načina med seboj nekoherentna, zato je izhod svetlobne jakosti več vzdolžnih načinov nekoherenten dodatek vsakega vzdolžnega načina. Intenzivnost izhodne svetlobe sčasoma neenakomerno niha. Zaklepanje načina omogoča, da več vzdolžnih načinov, ki lahko obstajajo v resonančni votlini, sinhrono niha, ohranja frekvenčne intervale vsakega nihajnega načina enake in njihove začetne faze konstantne, tako da laser oddaja kratko impulzno zaporedje z rednimi in enakimi časovnimi intervali.
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 >= širina laserske črte; čas sprostitve mora biti krajši od časa, ki je potreben, da utrip enkrat potuje naprej in nazaj.
