Disse fire teknologier diskuteres sammen, fordi de alle direkte påvirker udgangsegenskaberne for laserresonans.
1. Valg af tilstand:
Valg af tilstand er faktisk frekvensvalg. De fleste lasere bruger længere resonanshulrum for at opnå større udgangsenergi, hvilket gør laseroutputtet multi-mode. Sammenlignet med højere-ordens tilstande har den fundamentale tværgående tilstand (TEM00-tilstand) imidlertid karakteristika af høj lysstyrke, lille divergensvinkel, ensartet radial lysintensitetsfordeling og enkelt oscillationsfrekvens og har den bedste rumlige og tidsmæssig interferens. Derfor er en enkelt fundamental transversal mode-laser en ideel sammenhængende lyskilde, hvilket er meget vigtigt til applikationer som laserinterferometri, spektralanalyse og laserbehandling. For at opfylde disse betingelser skal der træffes foranstaltninger til at begrænse laseroscillationstilstanden for at undertrykke driften af de fleste resonansfrekvenser i multi-mode lasere, og bruge modevalgsteknologi til at opnå single-mode enkelt-frekvens laseroutput.
Valg af tilstand er opdelt på to måder: den ene er valget af laser langsgående modus, og den anden er valget af laser tværgående modus. Førstnævnte har en større indflydelse på laserens udgangsfrekvens og kan i høj grad forbedre laserens sammenhæng: sidstnævnte påvirker hovedsageligt ensartetheden af lysintensiteten af laseroutputtet og forbedrer laserens lysstyrke.
Valg af longitudinel tilstand: For at forbedre lysstrålens monokromaticitet og kohærenslængde er det nødvendigt at få laseren til at arbejde i en enkelt-langsgående tilstand. Imidlertid har mange lasere ofte flere langsgående tilstande, der svinger på samme tid. For at designe en enkelt longitudinel modelaser skal der derfor anvendes en frekvensvalgsmetode. Almindelige metoder omfatter: kort hulrum metode, Fabry-Pulloff etalon metode, tre-reflektor metode osv.
2) Valg af tværgående tilstand: Betingelsen for laseroscillation er, at forstærkningskoefficienten skal være større end tabskoefficienten. Tabet kan opdeles i diffraktionstab relateret til den tværgående tilstandsorden og andre tab, der ikke er relateret til oscillationstilstanden. Essensen af det grundlæggende tværgående modusvalg er at få TEM00 modusen til at nå oscillationstilstanden, mens oscillationen af den højere ordens tværgående modus undertrykkes. Derfor kan formålet med at vælge den tværgående tilstand opnås ved blot at kontrollere transmissionstabet af hver højere ordens tilstand. Generelt kan man sige, at så længe TEM01-tilstanden og TEM10-modeoscillationerne, der er en orden højere end den fundamentale tværgående tilstand, kan undertrykkes, kan svingningen af andre højere-ordens tilstande undertrykkes. Almindelige metoder omfatter: blændemetode, fokuseringsåbningsmetode og konkav-konveks hulrum, valg af tilstand ved brug af Q-switching osv. Intrakavitet teleskopmetode,
2. Frekvensstabilisering:
Efter at laseren opnår enkeltfrekvensoscillation gennem modusvalg, på grund af ændringer i interne og eksterne forhold, vil resonansfrekvensen stadig bevæge sig inden for hele den lineære bredde. Dette fænomen kaldes "frekvensdrift". På grund af eksistensen af drift opstår problemet med laserfrekvensstabilitet. Formålet med frekvensstabilisering er at forsøge at kontrollere disse kontrollerbare faktorer for at minimere deres interferens med oscillationsfrekvensen og derved forbedre stabiliteten af laserfrekvensen.
Frekvensstabilitet omfatter to aspekter: frekvensstabilitet og frekvensreproducerbarhed. Frekvensstabilitet refererer til forholdet mellem laserens frekvensdrift og oscillationsfrekvensen under den subkontinuerlige arbejdstid. Jo mindre forholdet er, jo højere er frekvensstabiliteten. Frekvensreproducerbarhed er den relative ændring i frekvens, når laseren bruges i forskellige miljøer. Frekvensstabiliseringsmetoder er opdelt i passive og aktive typer. De specifikke frekvensstabiliseringsmetoder er: Lammesagmetode og mætningsabsorptionsmetode.
3. Q-switch:
Generelt er lysimpulserne udsendt af solid-state pulslasere ikke enkelte glatte impulser, men en sekvens af små spidsimpulser med forskellige intensiteter på mikrosekundniveau. Denne lysimpulssekvens varer i hundredvis af mikrosekunder eller endda nogle få tiendedele af et sekund, og dens maksimale effekt er kun titusinder af kilowatt, hvilket er langt fra at opfylde behovene for praktiske applikationer såsom laserradar og laserafstandsmåling. Af denne grund har nogle mennesker foreslået konceptet Q-switching, som har forbedret outputydelsen af laserimpulser med flere størrelsesordener, komprimeret pulsbredden til nanosekundniveauet, og spidseffekten er så høj som gigawatt.
Q refererer til kvalitetsfaktoren for laserresonanshulrummet. Den specifikke formel er Q=2n*energi lagret i resonanshulrummet/energitabt pr. oscillationscyklus.
Q-switching princip: En bestemt metode bruges til at gøre resonanshulrummet i en tilstand med højt tab og lav Q-værdi ved begyndelsen af pumpningen. På dette tidspunkt er tærsklen for laseroscillation meget høj, og selvom partikeltæthedsinversionstallet akkumuleres til et meget højt niveau, vil det ikke producere oscillation: når partikelinversionstallet når topværdien, Q-værdien af hulrummet er pludselig øget, hvilket vil få lasermediets forstærkning til at overskride tærsklen meget og producere svingninger ekstremt hurtigt. På dette tidspunkt vil energien af de partikler, der er lagret i den metastabile tilstand, hurtigt blive omdannet til fotonernes energi. Fotonerne øges med en ekstrem høj hastighed, og laseren kan udsende en laserpuls med høj spidseffekt og smal bredde.
Fordi tabet af resonanshulrummet inkluderer refleksionstab, absorptionstab, diffraktionstab, spredningstab og transmissionstab, bruges forskellige metoder til at kontrollere forskellige typer tab for at danne forskellige Q-switching-teknologier. I øjeblikket er de almindelige Q-switching-teknologier: akusto-optisk Q-switching, elektro-optisk Q-switching og dye Q-switching.
4. Moduslåsning:
Q-switching kan komprimere laserpulsbredden for at opnå laserimpulser med en pulsbredde i størrelsesordenen mikrosekunder og en spidseffekt i størrelsesordenen gigawatt. Mode locking-teknologi er en teknologi, der yderligere modulerer laseren på en særlig måde, hvilket tvinger fasen af hver longitudinelle modus, der oscillerer i laseren, til at blive fikseret, så hver modus er sammenhængende overlejret for at opnå en ultrakort puls. Ved hjælp af mode locking-teknologi kan der opnås ultrakorte laserimpulser med en pulsbredde i størrelsesordenen femtosekunder og en spidseffekt højere end størrelsesordenen T watt. Mode locking-teknologi gør laserenergien meget koncentreret i tid og er i øjeblikket den mest avancerede teknologi til at opnå lasere med høj spidseffekt.
Mode-locking princip: Generelt producerer ikke-ensartet bredede lasere altid flere langsgående tilstande. Da der ikke er noget bestemt forhold mellem frekvensen og den indledende fase af hver modus, er moduserne usammenhængende med hinanden, så lysintensiteten, som udsendes af flere langsgående moduser, er den usammenhængende tilføjelse af hver langsgående modus. Udgangslysintensiteten svinger uregelmæssigt over tid. Moduslåsning gør det muligt for flere langsgående tilstande, der kan eksistere i resonanshulrummet, at oscillere synkront, holder frekvensintervallerne for hver oscillationstilstand ens og holder deres indledende faser konstante, så laseren udsender en kort pulssekvens med regelmæssige og ens tidsintervaller.
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 >= laserlinjebredden; afspændingstiden skal være kortere end den tid, det tager for pulsen at rejse frem og tilbage én gang.
