Ці чотири технології обговорюються разом, оскільки всі вони безпосередньо впливають на вихідні характеристики лазерного резонансу.
1. Вибір режиму:
Вибір режиму – це фактично вибір частоти. Більшість лазерів використовують довші резонансні порожнини для отримання більшої вихідної енергії, що робить вихід лазера багатомодовим. Однак порівняно з модами вищого порядку основна поперечна мода (TEM00 mode) має характеристики високої яскравості, малого кута розбіжності, рівномірного радіального розподілу інтенсивності світла та одиночної частоти коливань, а також має найкращі просторові та тимчасове втручання. Таким чином, єдиний фундаментальний поперечно-модовий лазер є ідеальним джерелом когерентного світла, що дуже важливо для таких застосувань, як лазерна інтерферометрія, спектральний аналіз і лазерна обробка. Щоб відповідати цим умовам, необхідно вжити заходів щодо обмеження режиму коливань лазера, щоб придушити роботу більшості резонансних частот у багатомодових лазерах і використовувати технологію вибору режиму для отримання одномодового одночастотного лазерного випромінювання.
Вибір режиму ділиться на два способи: один — це вибір поздовжньої моди лазера, а інший — вибір поперечної моди лазера. Перше має більший вплив на вихідну частоту лазера та може значно покращити когерентність лазера: останнє в основному впливає на рівномірність інтенсивності світла лазерного випромінювання та покращує яскравість лазера.
Вибір поздовжнього режиму: щоб покращити монохроматичність і довжину когерентності світлового променя, необхідно змусити лазер працювати в одному поздовжньому режимі. Однак багато лазерів часто мають декілька поздовжніх мод, що коливаються одночасно. Таким чином, щоб спроектувати один лазер поздовжньої моди, необхідно використовувати метод вибору частоти. Загальні методи включають: метод короткого резонатора, метод еталону Фабрі-Пулоффа, метод трьох відбивачів тощо.
2) Вибір поперечної моди: Умовою для лазерних коливань є те, що коефіцієнт підсилення має бути більшим за коефіцієнт втрат. Втрати можна розділити на дифракційні втрати, пов’язані з порядком поперечної моди, та інші втрати, не пов’язані з модою коливань. Суть основного виділення поперечної моди полягає в тому, щоб мода TEM00 досягла стану коливань, тоді як коливання поперечної моди вищого порядку пригнічується. Таким чином, мета вибору поперечної моди може бути досягнута простим керуванням втратами передачі кожної моди вищого порядку. Взагалі кажучи, до тих пір, поки коливання моди TEM01 і моди TEM10, які на один порядок вищі, ніж основна поперечна мода, можуть бути придушені, можна придушити коливання інших мод вищого порядку. Загальні методи включають: метод апертури, метод фокусуючої апертури та увігнуто-опуклої порожнини, вибір режиму з використанням Q-перемикання тощо. Метод внутрішньопорожнинного телескопа,
2. Стабілізація частоти:
Після того, як лазер отримує одночастотні коливання за допомогою вибору моди, через зміни внутрішніх і зовнішніх умов резонансна частота все ще буде рухатися в межах усієї лінійної ширини. Це явище називається «дрейфом частоти». Через існування дрейфу виникає проблема стабільності частоти лазера. Метою стабілізації частоти є спроба контролювати ці контрольовані фактори, щоб мінімізувати їх вплив на частоту коливань, тим самим покращуючи стабільність частоти лазера.
Стабільність частоти включає два аспекти: стабільність частоти та відтворюваність частоти. Стабільність частоти означає відношення дрейфу частоти лазера до частоти коливань протягом неперервного робочого часу. Чим менше співвідношення, тим вища стабільність частоти. Відтворюваність частоти – це відносна зміна частоти, коли лазер використовується в різних середовищах. Методи стабілізації частоти поділяються на пасивні та активні. Специфічні методи стабілізації частоти: метод Лемба і метод поглинання насичення.
3. Q-перемикання:
Як правило, світлові імпульси, які видають твердотільні імпульсні лазери, є не поодинокими плавними імпульсами, а послідовністю невеликих спайкових імпульсів з різною інтенсивністю на мікросекундному рівні. Ця послідовність світлових імпульсів триває сотні мікросекунд або навіть кілька десятих секунди, а її пікова потужність становить лише десятки кіловат, що далеко не відповідає потребам практичних застосувань, таких як лазерний радар і лазерна дальність. З цієї причини деякі люди запропонували концепцію модуляції добротності, яка покращила продуктивність лазерних імпульсів на кілька порядків, стиснула ширину імпульсу до рівня наносекунд, а пікова потужність досягає гігават.
Q відноситься до добротності лазерного резонатора. Конкретна формула: Q=2n*енергія, збережена в резонансній порожнині/енергія, втрачена за цикл коливань.
Принцип перемикання добротності: використовується певний метод для переведення резонансної порожнини в стан із високими втратами та низьким значенням добротності на початку накачування. У цей час поріг лазерних коливань дуже високий, і навіть якщо число інверсії густини частинок накопичується до дуже високого рівня, воно не викличе коливань: коли число інверсії частинок досягає максимального значення, значення Q резонатора раптово збільшується, що призведе до того, що коефіцієнт підсилення лазерного середовища значно перевищить поріг і створить надзвичайно швидкі коливання. У цей час енергія частинок, що зберігаються в метастабільному стані, буде швидко перетворюватися в енергію фотонів. Фотони збільшуються з надзвичайно високою швидкістю, і лазер може видавати лазерний імпульс із високою піковою потужністю та малою шириною.
Оскільки втрати в резонансній порожнині включають втрати на відбиття, втрати на поглинання, втрати на дифракцію, втрати на розсіювання та втрати на передачу, використовуються різні методи для контролю різних типів втрат для формування різних технологій перемикання добротності. В даний час поширеними технологіями модуляції добротності є: акустооптична модуляція добротності, електрооптична модуляція добротності та модуляція добротності барвника.
4. Режим блокування:
Модуляція добротності може стиснути ширину лазерного імпульсу для отримання лазерних імпульсів із шириною імпульсу порядку мікросекунд і піковою потужністю порядку гігават. Технологія синхронізації мод — це технологія, яка додатково модулює лазер особливим чином, змушуючи фіксувати фазу кожної поздовжньої моди, що коливається в лазері, так що кожна мода когерентно накладається для отримання ультракороткого імпульсу. Використовуючи технологію синхронізації мод, можна отримати ультракороткі лазерні імпульси з шириною імпульсу порядку фемтосекунд і піковою потужністю, що перевищує порядок Т ват. Технологія блокування мод робить лазерну енергію висококонцентрованою в часі і на даний момент є найдосконалішою технологією для отримання лазерів з високою піковою потужністю.
Принцип синхронізації мод: загалом лазери з нерівномірним розширенням завжди створюють кілька поздовжніх мод. Оскільки немає певного зв’язку між частотою та початковою фазою кожної моди, моди є некогерентними одна з одною, тому вихід інтенсивності світла кількома поздовжніми модами є некогерентним додаванням кожної поздовжньої моди. Інтенсивність вихідного світла коливається з часом нерівномірно. Блокування моди дозволяє синхронно коливатися декільком поздовжнім модам, які можуть існувати в резонансній порожнині, зберігаючи частотні інтервали кожної моди коливань рівними та зберігаючи їх початкові фази постійними, так що лазер видає коротку імпульсну послідовність з регулярними та рівними інтервалами в часі.
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 >= ширина лазерної лінії; час релаксації має бути коротшим, ніж час, необхідний для проходження імпульсу вперед і назад один раз.
