Disse fire teknologier diskuteres sammen, fordi de alle direkte påvirker udgangsegenskaberne for laserresonanshulrummet.
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. Den har den bedste rumlige og tidsmæssige 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 foranstaltninger til begrænsning af laseroscillation vedtages 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 valg af laser longitudinelle tilstand; den anden er valget af laser tværgående tilstand. 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.
1)Valg af longitudinelle tilstand: For at forbedre monokromaticiteten og kohærenslængden af strålen skal laseren arbejde i en enkelt longitudinel tilstand. Imidlertid har mange lasere ofte flere langsgående tilstande, der oscillerer på samme tid. For at designe en enkelt longitudinal mode-laser skal der derfor anvendes en frekvensvalgsmetode. Almindelige metoder omfatter: kort hulrum metode, Fabry-Ploy etalon metode, tre-spejl metode osv.
2)Valg af tværgående tilstand: Betingelsen for laseroscillation er, at forstærkningskoefficienten skal være større end tabskoefficienten. Tabene kan opdeles i linjeemissionstab relateret til den tværgående tilstandsorden og andre tab uafhængigt af oscillationstilstanden. Essensen af at vælge den fundamentale tværgående tilstand er at få TEM00-tilstanden til at nå oscillationsbetingelser og undertrykke oscillationen af højere-ordens tværgående tilstande. Derfor behøver vi kun at kontrollere linjeemissionstabet for hver højordenstilstand for at opnå formålet med at vælge tværgående tilstande. Generelt kan man sige, at så længe TEM01-mode- og TEM10-modeoscillationerne, der er en orden højere end den fundamentale tværgående tilstand, kan undertrykkes, kan svingningerne af andre højereordenstilstande undertrykkes. Almindelige metoder omfatter: blændemetode, fokuseringsblændemetode og intra-kavitet teleskopmetode, konkav-konveks hulrum, ved brug af Q-switched modevalg osv.
2. Frekvensstabilisering:
Efter at laseren opnår enkeltfrekvensoscillation gennem modusvalg, vil resonansfrekvensen stadig bevæge sig inden for hele den lineære bredde på grund af ændringer i interne og eksterne forhold. 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 inden for en kontinuerlig arbejdstid. Jo mindre forholdet er, jo højere er frekvensstabiliteten. Frekvensgengivelse er den relative ændring i frekvens, når laseren bruges i forskellige miljøer. Frekvensstabiliseringsmetoder er opdelt i to typer: passive og aktive. Specifikke frekvensstabiliseringsmetoder omfatter: Lammesagmetode og mætningsabsorptionsmetode.
3. Q-switch:
Generelt er lysimpulserne, der udsendes af solid-state pulslasere, ikke enkelte glatte pulser, men en sekvens af små spidspulser med varierende intensiteter og bredder i mikrosekundområdet. Denne lysimpulssekvens varer i hundredvis af mikrosekunder eller endda millisekunder, og dens spidseffekt er kun titusinder af kilowatt, hvilket langt fra opfylder 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=2T"Energi lagret i resonanshulrummet/energitabt pr. oscillationscyklus.
På dette tidspunkt er princippet om laseroscillation Q-switching: en bestemt metode bruges til at gøre resonanshulrummet i en tilstand med højt tab og lav Q-værdi ved begyndelsen af pumpningen. Tærsklen for oscillation er meget høj, og selv hvis partikeltæthedsinversionstallet akkumuleres til et meget højt niveau, vil det ikke producere oscillation; når partikelinversionstallet når spidsværdien, øges Q-værdien af hulrummet pludselig, hvilket vil få lasermediets forstærkning til at overskride tærsklen meget, og oscillation vil forekomme ekstremt hurtigt. På dette tidspunkt vil energien af de partikler, der er lagret i den metastabile tilstand, hurtigt blive omdannet til fotonernes energi, og fotonerne vil stige med en ekstrem høj hastighed. Laseren kan udsende en laserimpuls med høj spidseffekt og smal bredde.
Fordi tabet af resonanshulrummet inkluderer refleksionstab, absorptionstab, strålingstab, spredningstab og transmissionstab, bruges forskellige metoder til at kontrollere forskellige typer tab for at danne forskellige Q-switching-teknologier. På nuværende tidspunkt er almindelige Q-switching-teknologier: akusto-optisk Q-switching, elektro-optisk Q-switching og dye Q-switching.
4. Moduslåsning:
Q-switching kan komprimere laserpulsbredden og 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 faserne af de forskellige langsgående tilstande, der oscillerer i laseren, til at blive fikseret, så hver tilstand kan overlejres sammenhængende for at opnå ultrakorte impulser. 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.
Moduslåsningsprincip: 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 hver modus usammenhængende med hinanden, så lysintensiteten udsendt af flere langsgående modus 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 teknologi er opdelt i aktiv tilstand låsning og passiv tilstand låsning. Aktiv tilstandslåsning: Indsæt en modulator med en modulationsfrekvens v=c/2L i resonanshulrummet for at modulere amplituden og fasen af laseroutputtet for at opnå synkron vibration af hver langsgående tilstand. Passiv tilstandslåsning: Indsæt en farveboks med mættede absorptionsegenskaber i laserhulrummet. Absorptionskoefficienten for farvestofboksen med mættende absorptionsegenskaber vil falde med stigningen i lysintensiteten. I laseren, når den optiske pumpe exciterer arbejdsmaterialet, vil hver langsgående tilstand forekomme tilfældigt, og lysfeltet vil svinge i intensitet på grund af deres superposition. Når nogle langsgående tilstande er kohærent forbedret ved tilfældigheder, vises dele med stærkere lysintensitet, mens andre dele er svagere. Disse stærkere dele absorberes mindre af farvestoffet, og tabet er ikke stort. De svagere dele absorberes mere af farvestoffet og bliver svagere. Som et resultat af, at lysfeltet passerer gennem farvestoffet mange gange, skelnes de stærke og svage dele tydeligt, og til sidst udvælges disse langsgående modus kohærente forstærkningsdele i form af smalle pulser. Passiv tilstandslåsning har visse krav til farveboksens optiske egenskaber: farvestoffets absorptionslinje skal være meget tæt på laserbølgelængden; absorptionslinjens linjebredde skal være større end eller lig med laserlinjebredden; og afslapningstiden skal være kortere end den tid det tager for pulsen at rejse frem og tilbage i hulrummet.
