Ці чотири технології обговорюються разом, оскільки всі вони безпосередньо впливають на вихідні характеристики лазерного резонатора.
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. Він має найкращу просторову та часову інтерференцію. 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 для обмеження 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 лазерного поздовжнього режиму; інший — вибір поперечної моди лазера. Перший 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.
1)Вибір поздовжнього режиму: щоб покращити монохроматичність і довжину когерентності променя, лазер повинен 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 короткої порожнини, метод Фабрі-Плоя, метод трьох дзеркал тощо.
2)Вибір поперечної моди: Умовою для лазерних коливань є те, що коефіцієнт підсилення має бути більшим за коефіцієнт втрат. Втрати можна розділити на втрати лінійного випромінювання, пов’язані з порядком поперечної моди, та інші втрати, незалежні від моди коливань. Суть вибору основної поперечної моди полягає в тому, щоб мода TEM00 досягла умов коливань і придушила коливання поперечних мод вищого порядку. Таким чином, нам потрібно лише контролювати втрати лінії випромінювання кожної моди високого порядку, щоб досягти мети вибору поперечних мод. Взагалі кажучи, до тих пір, поки коливання моди TEM01 і моди TEM10, які на один порядок вищі, ніж основна поперечна мода, можуть бути придушені, коливання інших мод вищого порядку можуть бути придушені. Загальні методи включають: метод апертури, метод фокусуючої апертури та метод внутрішнього резонатора, метод увігнуто-опуклої порожнини, використання вибору режиму Q-switched тощо.
2. Стабілізація частоти:
Після того, як лазер отримує одночастотні коливання за допомогою вибору режиму, резонансна частота все ще буде рухатися в межах усієї лінійної ширини через зміни внутрішніх і зовнішніх умов. 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 тривалого часу роботи. Чим менше співвідношення, тим вища стабільність частоти. Відтворення частоти – це відносна зміна частоти, коли лазер використовується в різних середовищах. Методи стабілізації частоти діляться на два види: пасивні та активні. Конкретні методи стабілізації частоти включають: метод Лемба і метод поглинання насичення.
3. Q-перемикання:
Як правило, світлові імпульси, що виходять від твердотільних імпульсних лазерів, є не поодинокими плавними імпульсами, а послідовністю малих пікових імпульсів із різною інтенсивністю та шириною в мікросекундному діапазоні. Ця послідовність світлових імпульсів триває сотні мікросекунд або навіть мілісекунд, а її пікова потужність становить лише десятки кіловат, що далеко не відповідає потребам практичних застосувань, таких як лазерний радар і лазерна локація. 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=2T"Енергія, збережена в резонансній порожнині/Енергія, втрачена за цикл коливань.
У цей час принцип модуляції добротності лазерних коливань: використовується певний метод, щоб перевести резонансну порожнину в стан з високими втратами та низьким значенням добротності на початку накачування. Поріг коливань дуже високий, і навіть якщо число інверсії густини частинок накопичується до дуже високого рівня, коливань не буде; коли число інверсії частинок досягає максимального значення, значення Q резонатора раптово збільшується, що призведе до того, що посилення лазерного середовища значно перевищить поріг, і коливання відбуватимуться надзвичайно швидко. У цей час енергія частинок, що зберігаються в метастабільному стані, буде швидко перетворюватися в енергію фотонів, і фотони будуть збільшуватися з надзвичайно високою швидкістю. Лазер може видавати лазерний імпульс з високою піковою потужністю та малою шириною.
Оскільки втрати в резонансній порожнині включають втрати на відображення, втрати на поглинання, втрати на випромінювання, втрати на розсіювання та втрати на передачу, використовуються різні методи для контролю різних типів втрат для формування різних технологій комутації 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 та отримати лазерні імпульси з шириною імпульсу порядку мікросекунд і піковою потужністю порядку гігават. Технологія блокування мод — це технологія, яка додатково модулює лазер особливим чином, змушуючи фіксувати фази різних поздовжніх мод, що коливаються в лазері, так що кожна мода може бути когерентно накладена для отримання ультракоротких імпульсів. 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: як правило, лазери з нерівномірним розширенням завжди створюють кілька поздовжніх мод. Оскільки немає певного зв’язку між частотою та початковою фазою кожної моди, кожна мода є некогерентною одна з одною, тому інтенсивність світла, випромінювана 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.
Технологія блокування режиму поділяється на блокування активного режиму та блокування пасивного режиму. Блокування активного режиму: вставте модулятор із частотою модуляції v=c/2L у резонансну порожнину, щоб модулювати амплітуду та фазу вихідного випромінювання лазера для досягнення синхронної вібрації кожної поздовжньої моди. Блокування пасивного режиму: вставте коробку з барвником із характеристиками насиченого поглинання в порожнину лазера. Коефіцієнт поглинання барвника з характеристиками поглинання, що насичуються, буде зменшуватися зі збільшенням інтенсивності світла. У лазері, оскільки оптичний насос збуджує робочий матеріал, кожна поздовжня мода буде відбуватися випадковим чином, і світлове поле буде коливатися в інтенсивності через їх суперпозицію. Коли деякі поздовжні моди когерентно посилюються випадково, з’являються частини з більшою інтенсивністю світла, тоді як інші частини слабші. Ці більш міцні частини менше поглинаються барвником, і втрати не великі. Слабші частини більше поглинаються барвником і стають слабшими. У результаті багаторазового проходження світлового поля через барвник сильні та слабкі частини чітко розрізняються, і, нарешті, ці частини когерентного посилення поздовжньої моди вибираються у вигляді вузьких імпульсів. Пасивна фіксація режиму висуває певні вимоги до оптичних властивостей барвника: лінія поглинання барвника має бути дуже близькою до довжини хвилі лазера; ширина лінії поглинання повинна бути більше або дорівнювати ширині лазерної лінії; і час релаксації має бути коротшим, ніж час, необхідний для проходження імпульсу вперед і назад у порожнині.
