Deze vier technologieën worden samen besproken omdat ze allemaal rechtstreeks van invloed zijn op de uitgangskarakteristieken van laserresonantie.
1. Modusselectie:
Modusselectie is eigenlijk frequentieselectie. De meeste lasers gebruiken langere resonantieholtes om een grotere uitgangsenergie te verkrijgen, waardoor de laseruitvoer multi-mode is. Vergeleken met modi van hogere orde heeft de fundamentele transversale modus (TEM00-modus) echter de kenmerken van hoge helderheid, kleine divergentiehoek, uniforme radiale lichtintensiteitsverdeling en enkele oscillatiefrequentie, en heeft de beste ruimtelijke en tijdelijke interferentie. Daarom is een enkele fundamentele transversale moduslaser een ideale coherente lichtbron, wat erg belangrijk is voor toepassingen zoals laserinterferometrie, spectrale analyse en laserverwerking. Om aan deze voorwaarden te voldoen, moeten maatregelen worden genomen om de laseroscillatiemodus te beperken om de werking van de meeste resonante frequenties in multi-mode lasers te onderdrukken, en modusselectietechnologie te gebruiken om single-mode laseroutput met enkele frequentie te verkrijgen.
De modusselectie is op twee manieren verdeeld: de ene is de selectie van de laser-longitudinale modus en de andere is de selectie van de laser-transversale modus. De eerste heeft een grotere invloed op de uitgangsfrequentie van de laser en kan de coherentie van de laser aanzienlijk verbeteren: de laatste heeft vooral invloed op de uniformiteit van de lichtintensiteit van de laseruitvoer en verbetert de helderheid van de laser.
Selectie van de longitudinale modus: Om de monochromaticiteit en de coherentielengte van de lichtbundel te verbeteren, is het noodzakelijk om de laser in een enkele longitudinale modus te laten werken. Veel lasers hebben echter vaak meerdere longitudinale modi die tegelijkertijd oscilleren. Om een laser met enkele longitudinale modus te ontwerpen, moet daarom een frequentieselectiemethode worden gebruikt. Veel voorkomende methoden zijn: korte holtemethode, Fabry-Pulloff etalon-methode, drie-reflectormethode, enz.
2) Transversale modusselectie: De voorwaarde voor laseroscillatie is dat de versterkingscoëfficiënt groter moet zijn dan de verliescoëfficiënt. Het verlies kan worden onderverdeeld in diffractieverlies gerelateerd aan de transversale modusvolgorde en andere verliezen die geen verband houden met de oscillatiemodus. De essentie van de fundamentele selectie van de transversale modus is ervoor te zorgen dat de TEM00-modus de oscillatieconditie bereikt, terwijl de oscillatie van de transversale modus van hogere orde wordt onderdrukt. Daarom kan het doel van het selecteren van de transversale modus worden bereikt door eenvoudigweg het transmissieverlies van elke modus van hogere orde te regelen. In het algemeen gesproken, zolang de oscillaties in de TEM01-modus en de TEM10-modus die één orde hoger zijn dan de fundamentele transversale modus kunnen worden onderdrukt, kan de oscillatie van andere modi van hogere orde worden onderdrukt. Gebruikelijke methoden zijn onder meer: diafragmamethode, focusseringsapertuurmethode en concave-convexe holte, modusselectie met behulp van Q-switching, enz. Intracavity telescoopmethode,
2. Frequentiestabilisatie:
Nadat de laser door middel van modusselectie een oscillatie met één frequentie heeft verkregen, zal de resonantiefrequentie, als gevolg van veranderingen in interne en externe omstandigheden, nog steeds binnen de gehele lineaire breedte bewegen. Dit fenomeen wordt "frequentiedrift" genoemd. Vanwege het bestaan van drift ontstaat het probleem van de stabiliteit van de laserfrequentie. Het doel van frequentiestabilisatie is om te proberen deze controleerbare factoren te beheersen om hun interferentie met de oscillatiefrequentie te minimaliseren, waardoor de stabiliteit van de laserfrequentie wordt verbeterd.
Frequentiestabiliteit omvat twee aspecten: frequentiestabiliteit en frequentiereproduceerbaarheid. Frequentiestabiliteit heeft betrekking op de verhouding tussen de frequentiedrift van de laser en de oscillatiefrequentie tijdens de subcontinue werktijd. Hoe kleiner de verhouding, hoe hoger de frequentiestabiliteit. Frequentiereproduceerbaarheid is de relatieve verandering in frequentie wanneer de laser in verschillende omgevingen wordt gebruikt. Frequentiestabilisatiemethoden zijn onderverdeeld in passieve en actieve typen. De specifieke frequentiestabilisatiemethoden zijn: Lamb sag-methode en verzadigingsabsorptiemethode.
3. Q-switching:
Over het algemeen zijn de lichtpulsen die worden afgegeven door solid-state pulslasers geen enkele vloeiende pulsen, maar een reeks kleine piekpulsen met verschillende intensiteiten op microsecondeniveau. Deze lichtpulsreeks duurt honderden microseconden of zelfs enkele tienden van een seconde, en het piekvermogen bedraagt slechts tientallen kilowatt, wat verre van voldoet aan de behoeften van praktische toepassingen zoals laserradar en laserbereik. Om deze reden hebben sommige mensen het concept van Q-switching voorgesteld, dat de uitvoerprestaties van laserpulsen met verschillende ordes van grootte heeft verbeterd, de pulsbreedte tot op het niveau van nanoseconden heeft gecomprimeerd en het piekvermogen zo hoog is als gigawatt.
Q verwijst naar de kwaliteitsfactor van de laserresonantieholte. De specifieke formule is Q=2n*energie opgeslagen in de resonantieholte/energie verloren per oscillatiecyclus.
Q-schakelprincipe: Er wordt een bepaalde methode gebruikt om de resonantieholte aan het begin van het pompen in een staat met hoog verlies en een lage Q-waarde te brengen. Op dit moment is de drempel van laseroscillatie erg hoog, en zelfs als het inversiegetal van de deeltjesdichtheid zich tot een zeer hoog niveau ophoopt, zal het geen oscillatie produceren: wanneer het deeltjesinversiegetal de piekwaarde bereikt, zal de Q-waarde van de holte wordt plotseling verhoogd, waardoor de versterking van het lasermedium de drempel aanzienlijk zal overschrijden en extreem snel oscillaties zal veroorzaken. Op dit moment zal de energie van de deeltjes die in de metastabiele toestand zijn opgeslagen, snel worden omgezet in de energie van fotonen. De fotonen nemen extreem snel toe en de laser kan een laserpuls afgeven met een hoog piekvermogen en een smalle breedte.
Omdat het verlies van de resonantieholte reflectieverlies, absorptieverlies, diffractieverlies, verstrooiingsverlies en transmissieverlies omvat, worden verschillende methoden gebruikt om verschillende soorten verliezen te beheersen om verschillende Q-switching-technologieën te vormen. Momenteel zijn de gebruikelijke Q-switching-technologieën: akoestisch-optische Q-switching, elektro-optische Q-switching en kleurstof Q-switching.
4. Modusvergrendeling:
Q-switching kan de laserpulsbreedte comprimeren om laserpulsen te verkrijgen met een pulsbreedte in de orde van microseconden en een piekvermogen in de orde van gigawatt. Modusvergrendelingstechnologie is een technologie die de laser op een speciale manier verder moduleert, waardoor de fase van elke longitudinale modus die in de laser oscilleert, wordt gefixeerd, zodat elke modus coherent over elkaar heen wordt gelegd om een ultrakorte puls te verkrijgen. Met behulp van modusvergrendelingstechnologie kunnen ultrakorte laserpulsen met een pulsbreedte in de orde van femtoseconden en een piekvermogen hoger dan de orde van T watt worden verkregen. Modusvergrendelingstechnologie zorgt ervoor dat de laserenergie zeer geconcentreerd is in de tijd en is momenteel de meest geavanceerde technologie voor het verkrijgen van lasers met hoog piekvermogen.
Modusvergrendelingsprincipe: Over het algemeen produceren niet-uniform verbrede lasers altijd meerdere longitudinale modi. Omdat er geen definitief verband bestaat tussen de frequentie en de beginfase van elke modus, zijn de modi incoherent met elkaar, dus de lichtintensiteit die door meerdere longitudinale modi wordt geproduceerd, is de incoherente optelling van elke longitudinale modus. De intensiteit van het uitgangslicht fluctueert onregelmatig in de tijd. Modusvergrendeling maakt het mogelijk dat meerdere longitudinale modi die in de resonantieholte aanwezig kunnen zijn, synchroon oscilleren, houdt de frequentie-intervallen van elke oscillatiemodus gelijk en houdt hun initiële fasen constant, zodat de laser een korte pulsreeks afgeeft met regelmatige en gelijke tijdsintervallen.
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 >= de breedte van de laserlijn; de relaxatietijd moet korter zijn dan de tijd die de puls nodig heeft om één keer heen en weer te gaan.
