Deze vier technologieën worden samen besproken omdat ze allemaal direct van invloed zijn op de uitgangskarakteristieken van de laserresonantiekamer.
1. Modusselectie:
Modusselectie is in feite frequentieselectie. De meeste lasers gebruiken langere resonantieholtes om een grotere outputenergie te verkrijgen, waardoor de laseroutput multi-mode is. Vergeleken met hogere-orde modi heeft de fundamentele transversale modus (TEM00-modus) echter de kenmerken van hoge helderheid, kleine divergentiehoek, uniforme radiale lichtintensiteitsverdeling en enkele oscillatiefrequentie. Het heeft de beste ruimtelijke en temporele 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 laseroscillatie te beperken om de werking van de meeste resonantiefrequenties in multi-mode lasers te onderdrukken en modusselectietechnologie te gebruiken om single-mode single-frequency laseroutput te verkrijgen.
De modusselectie is verdeeld in twee manieren: de ene is de selectie van de laser longitudinale modus; de andere is de selectie van de laser transversale modus. De eerste heeft een grotere impact op de outputfrequentie van de laser en kan de coherentie van de laser aanzienlijk verbeteren; de laatste beïnvloedt voornamelijk de uniformiteit van de lichtintensiteit van de laseroutput en verbetert de helderheid van de laser.
1)Selectie longitudinale modus: Om de monochromaticiteit en coherentielengte van de straal te verbeteren, moet de laser in één longitudinale modus werken. Veel lasers hebben echter vaak meerdere longitudinale modi die tegelijkertijd oscilleren. Daarom moet er een frequentieselectiemethode worden gebruikt om een enkele longitudinale moduslaser te ontwerpen. Veelvoorkomende methoden zijn: korte holtemethode, Fabry-Ploy etalonmethode, drie-spiegelmethode, enz.
2)Transversale modusselectie: De voorwaarde voor laseroscillatie is dat de winstcoëfficiënt groter moet zijn dan de verliescoëfficiënt. De verliezen kunnen worden onderverdeeld in lijnemissieverliezen gerelateerd aan de transversale modusorde en andere verliezen onafhankelijk van de oscillatiemodus. De essentie van het selecteren van de fundamentele transversale modus is om de TEM00-modus oscillatiecondities te laten bereiken en de oscillatie van hogere-orde transversale modi te onderdrukken. Daarom hoeven we alleen het lijnemissieverlies van elke hogere-ordemodus te regelen om het doel van het selecteren van transversale modi te bereiken. Over het algemeen geldt dat zolang de TEM01-modus en TEM10-modusoscillaties die één orde hoger zijn dan de fundamentele transversale modus kunnen worden onderdrukt, de oscillaties van andere hogere-ordemodi kunnen worden onderdrukt. Veelvoorkomende methoden zijn: diafragmamethode, focusserende diafragmamethode en intra-caviteit telescoopmethode, concave-convexe holte, met behulp van Q-geschakelde modusselectie, enz.
2. Frequentiestabilisatie:
Nadat de laser enkelvoudige frequentie-oscillatie verkrijgt door modusselectie, zal de resonantiefrequentie nog steeds binnen de gehele lineaire breedte bewegen vanwege veranderingen in interne en externe omstandigheden. Dit fenomeen wordt "frequentiedrift" genoemd. Door het bestaan van drift ontstaat het probleem van laserfrequentiestabiliteit. Het doel van frequentiestabilisatie is om te proberen deze controleerbare factoren te controleren om hun interferentie met de oscillatiefrequentie te minimaliseren, waardoor de stabiliteit van de laserfrequentie wordt verbeterd.
Frequentiestabiliteit omvat twee aspecten: frequentiestabiliteit en frequentiereproduceerbaarheid. Frequentiestabiliteit verwijst naar de verhouding van de frequentiedrift van de laser tot de oscillatiefrequentie binnen een continue werktijd. Hoe kleiner de verhouding, hoe hoger de frequentiestabiliteit. Frequentiereproductie is de relatieve verandering in frequentie wanneer de laser in verschillende omgevingen wordt gebruikt. Frequentiestabilisatiemethoden worden onderverdeeld in twee typen: passief en actief. Specifieke frequentiestabilisatiemethoden omvatten: Lamb sag-methode en verzadigingsabsorptiemethode.
3. Q-schakeling:
Over het algemeen zijn de lichtpulsen die door solid-state pulslasers worden afgegeven geen enkele gladde pulsen, maar een reeks kleine piekpulsen met variërende intensiteiten en breedtes in het microsecondebereik. Deze lichtpulsreeks duurt honderden microseconden of zelfs milliseconden en het piekvermogen is slechts tientallen kilowatts, wat ver verwijderd is van 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 het nanosecondeniveau heeft gecomprimeerd en het piekvermogen zo hoog is als gigawatt.
Q verwijst naar de kwaliteitsfactor van de laserresonantieholte. De specifieke formule is Q=2T"Energie opgeslagen in de resonantieholte/Energie verloren per oscillatiecyclus.
Op dit moment, het principe van laser oscillatie Q-switching: een bepaalde methode wordt gebruikt om de resonantieholte in een hoge-verlies en lage-Q waarde staat te maken aan het begin van het pompen. De drempel van oscillatie is erg hoog, en zelfs als het deeltjesdichtheid inversie nummer accumuleert tot een erg hoog niveau, zal het geen oscillatie produceren; wanneer het deeltjes inversie nummer de piekwaarde bereikt, wordt de Q waarde van de holte plotseling verhoogd, wat ervoor zal zorgen dat de versterking van het lasermedium de drempelwaarde ruimschoots overschrijdt, en oscillatie zal extreem snel optreden. Op dit moment zal de energie van de deeltjes opgeslagen in de metastabiele toestand snel worden omgezet in de energie van fotonen, en de fotonen zullen toenemen met een extreem hoge snelheid. De laser kan een laserpuls afgeven met een hoog piekvermogen en smalle breedte.
Omdat het verlies van de resonantieholte reflectieverlies, absorptieverlies, stralingsverlies, verstrooiingsverlies en transmissieverlies omvat, worden verschillende methoden gebruikt om verschillende soorten verliezen te beheersen om verschillende Q-switching-technologieën te vormen. Op dit moment zijn de meest voorkomende Q-switching-technologieën: akoestisch-optische Q-switching, elektro-optische Q-switching en kleurstof Q-switching.
4. Modusvergrendeling:
Q-switching kan de laserpulsbreedte comprimeren en laserpulsen verkrijgen met een pulsbreedte in de orde van microseconden en een piekvermogen in de orde van gigawatt. Mode locking-technologie is een technologie die de laser op een speciale manier verder moduleert, waardoor de fasen van de verschillende longitudinale modi die in de laser oscilleren, worden gefixeerd, zodat elke modus coherent kan worden gesuperponeerd om ultrakorte pulsen te verkrijgen. Met behulp van mode locking-technologie kunnen ultrakorte laserpulsen met een pulsbreedte in de orde van femtoseconden en een piekvermogen hoger dan de orde van T watt worden verkregen. Mode locking-technologie zorgt ervoor dat de laserenergie sterk geconcentreerd is in de tijd en is momenteel de meest geavanceerde technologie voor het verkrijgen van lasers met een hoog piekvermogen.
Principe van modusvergrendeling: Over het algemeen produceren niet-uniform verbrede lasers altijd meerdere longitudinale modi. Omdat er geen definitieve relatie is tussen de frequentie en de beginfase van elke modus, is elke modus incoherent met elkaar, dus de lichtintensiteit die door meerdere longitudinale modi wordt afgegeven, is de incoherente toevoeging van elke longitudinale modus. De afgegeven lichtintensiteit fluctueert onregelmatig in de tijd. Modusvergrendeling zorgt ervoor dat meerdere longitudinale modi die in de resonantieholte kunnen bestaan, synchroon kunnen oscilleren, houdt de frequentie-intervallen van elke oscillatiemodus gelijk en houdt hun beginfasen constant, zodat de laser een korte pulssequentie met regelmatige en gelijke intervallen in de tijd afgeeft.
De technologie voor het vergrendelen van de modus is onderverdeeld in actieve modusvergrendeling en passieve modusvergrendeling. Actieve modusvergrendeling: plaats een modulator met een modulatiefrequentie v=c/2L in de resonantieholte om de amplitude en fase van de laseruitvoer te moduleren om synchrone trilling van elke longitudinale modus te bereiken. Passieve modusvergrendeling: plaats een kleurstofdoos met verzadigde absorptiekenmerken in de laserholte. De absorptiecoëfficiënt van de kleurstofdoos met verzadigbare absorptiekenmerken neemt af naarmate de lichtintensiteit toeneemt. In de laser zal elke longitudinale modus willekeurig optreden als de optische pomp het werkmateriaal exciteert, en zal het lichtveld in intensiteit fluctueren vanwege hun superpositie. Wanneer sommige longitudinale modi door toeval coherent worden versterkt, verschijnen er delen met een sterkere lichtintensiteit, terwijl andere delen zwakker zijn. Deze sterkere delen worden minder door de kleurstof geabsorbeerd en het verlies is niet groot. De zwakkere delen worden meer door de kleurstof geabsorbeerd en worden zwakker. Als gevolg van het lichtveld dat vele malen door de kleurstof gaat, worden de sterke en zwakke delen duidelijk onderscheiden en worden deze longitudinale modus coherente verbeteringsdelen uiteindelijk geselecteerd in de vorm van smalle pulsen. Passieve modusvergrendeling stelt bepaalde eisen aan de optische eigenschappen van de kleurstofdoos: de absorptielijn van de kleurstof moet heel dicht bij de lasergolflengte liggen; de lijnbreedte van de absorptielijn moet groter zijn dan of gelijk zijn aan de breedte van de laserlijn; en de relaxatietijd moet korter zijn dan de tijd die de puls nodig heeft om heen en weer te reizen in de holte.
