Ove četiri tehnologije razmatraju se zajedno jer sve izravno utječu na izlazne karakteristike laserske rezonancije.
1. Odabir načina rada:
Odabir načina je zapravo odabir frekvencije. Većina lasera koristi duže rezonantne šupljine za dobivanje veće izlazne energije, što laserski izlaz čini višemodnim. Međutim, u usporedbi s modovima višeg reda, osnovni transverzalni mod (TEM00 mod) ima karakteristike visoke svjetline, malog kuta divergencije, jednolike radijalne distribucije intenziteta svjetlosti i pojedinačne frekvencije oscilacija, te ima najbolju prostornu i temporalne smetnje. Stoga je laser s jednim osnovnim transverzalnim modom idealan koherentni izvor svjetlosti, što je vrlo važno za primjene kao što su laserska interferometrija, spektralna analiza i laserska obrada. Kako bi se ispunili ovi uvjeti, moraju se usvojiti mjere za ograničavanje načina osciliranja lasera kako bi se potisnulo djelovanje većine rezonantnih frekvencija u laserima s više načina rada i upotrijebila tehnologija odabira načina rada kako bi se dobio izlaz lasera s jednom frekvencijom.
Odabir načina rada podijeljen je na dva načina: jedan je odabir uzdužnog načina rada lasera, a drugi je odabir poprečnog načina rada lasera. Prvi ima veći utjecaj na izlaznu frekvenciju lasera i može uvelike poboljšati koherenciju lasera: drugi uglavnom utječe na jednolikost intenziteta svjetlosti laserskog izlaza i poboljšava svjetlinu lasera.
Odabir uzdužnog načina rada: Kako bi se poboljšala monokromatičnost i duljina koherencije svjetlosnog snopa, potrebno je omogućiti laseru da radi u jednom uzdužnom načinu rada. Međutim, mnogi laseri često imaju nekoliko uzdužnih modova koji osciliraju u isto vrijeme. Stoga, da bi se dizajnirao laser s jednim uzdužnim modom, mora se koristiti metoda odabira frekvencije. Uobičajene metode uključuju: metodu kratke šupljine, metodu Fabry-Pulloff etalona, metodu tri reflektora itd.
2) Transverzalni odabir moda: Uvjet za lasersko osciliranje je da koeficijent pojačanja mora biti veći od koeficijenta gubitka. Gubitak se može podijeliti na difrakcijski gubitak povezan s poprečnim redoslijedom moda i druge gubitke koji nisu povezani s modom titranja. Bit odabira osnovnog transverzalnog moda je postići da TEM00 mod dostigne stanje oscilacije, dok je oscilacija transverzalnog moda višeg reda potisnuta. Stoga se svrha odabira transverzalnog moda može postići jednostavnom kontrolom prijenosnog gubitka svakog moda višeg reda. Općenito govoreći, sve dok se mogu potisnuti oscilacije moda TEM01 i moda TEM10 koje su jedan red više od osnovnog transverzalnog moda, oscilacije drugih modova višeg reda mogu se potisnuti. Uobičajene metode uključuju: metodu otvora blende, metodu fokusne blende i konkavno-konveksnu šupljinu, odabir načina rada pomoću Q-sklopke, itd. Metoda intrakavitetnog teleskopa,
2. Stabilizacija frekvencije:
Nakon što laser dobije jednofrekventnu oscilaciju odabirom moda, zbog promjena u unutarnjim i vanjskim uvjetima, rezonantna frekvencija će se i dalje kretati unutar cijele linearne širine. Taj se fenomen naziva "frekvencijski drift". Zbog postojanja drifta javlja se problem stabilnosti frekvencije lasera. Svrha stabilizacije frekvencije je pokušati kontrolirati te čimbenike koji se mogu kontrolirati kako bi se smanjila njihova interferencija s frekvencijom osciliranja, čime se poboljšava stabilnost frekvencije lasera.
Stabilnost frekvencije uključuje dva aspekta: stabilnost frekvencije i ponovljivost frekvencije. Stabilnost frekvencije odnosi se na omjer pomaka frekvencije lasera i frekvencije oscilacije tijekom subkontinuiranog radnog vremena. Što je omjer manji, veća je stabilnost frekvencije. Ponovljivost frekvencije je relativna promjena frekvencije kada se laser koristi u različitim okruženjima. Metode stabilizacije frekvencije dijele se na pasivne i aktivne. Specifične metode stabilizacije frekvencije su: Lamb sag metoda i metoda apsorpcije zasićenja.
3. Q-sklopka:
Općenito, svjetlosni impulsi koje emitiraju poluprovodnički pulsni laseri nisu pojedinačni glatki impulsi, već niz malih šiljastih impulsa različitih intenziteta na razini mikrosekunde. Ovaj slijed svjetlosnih impulsa traje stotine mikrosekundi ili čak nekoliko desetinki sekunde, a njegova vršna snaga iznosi samo desetke kilovata, što je daleko od zadovoljavanja potreba praktičnih primjena kao što su laserski radar i lasersko određivanje udaljenosti. Iz tog su razloga neki ljudi predložili koncept Q-sklopke, koji je poboljšao izlazne performanse laserskih impulsa za nekoliko redova veličine, komprimirao širinu impulsa na razinu nanosekunde, a vršna snaga je čak gigavata.
Q se odnosi na faktor kvalitete laserske rezonantne šupljine. Specifična formula je Q=2n*energija pohranjena u rezonantnoj šupljini/energija izgubljena po ciklusu oscilacije.
Načelo Q-sklopke: Određena metoda koristi se za postavljanje rezonantne šupljine u stanje s visokim gubicima i niskom Q vrijednošću na početku pumpanja. U ovom trenutku, prag laserske oscilacije je vrlo visok, pa čak i ako se broj inverzije gustoće čestica akumulira na vrlo visoku razinu, neće proizvesti oscilaciju: kada broj inverzije čestica dosegne vršnu vrijednost, Q vrijednost šupljine je iznenada povećan, što će uzrokovati da pojačanje laserskog medija uvelike premaši prag i proizvede oscilacije iznimno brzo. Tada će se energija čestica pohranjena u metastabilnom stanju brzo pretvoriti u energiju fotona. Fotoni se povećavaju izuzetno velikom brzinom, a laser može emitirati laserski puls velike vršne snage i male širine.
Budući da gubitak rezonantne šupljine uključuje gubitak refleksije, gubitak apsorpcije, gubitak difrakcijom, gubitak raspršenjem i gubitak prijenosa, koriste se različite metode za kontrolu različitih vrsta gubitaka kako bi se formirale različite tehnologije Q-sklopke. Trenutno su uobičajene tehnologije Q-sklopke: akusto-optička Q-sklopka, elektrooptička Q-sklopka i Q-sklopka s bojom.
4. Zaključavanje načina rada:
Q-sklopka može komprimirati širinu laserskog pulsa kako bi se dobili laserski impulsi s pulsnom širinom reda veličine mikrosekunde i vršnom snagom reda veličine gigavata. Tehnologija zaključavanja moda je tehnologija koja dodatno modulira laser na poseban način, prisiljavajući da faza svakog uzdužnog moda koji oscilira u laseru bude fiksirana, tako da je svaki mod koherentno superponiran kako bi se dobio ultrakratki puls. Korištenjem tehnologije zaključavanja moda mogu se dobiti ultrakratki laserski impulsi s pulsnom širinom reda veličine femtosekundi i vršnom snagom većom od reda veličine T vata. Tehnologija zaključavanja moda čini lasersku energiju visoko koncentriranom u vremenu i trenutno je najnaprednija tehnologija za dobivanje lasera visoke vršne snage.
Načelo zaključavanja moda: Općenito, nejednoliko prošireni laseri uvijek proizvode višestruke longitudinalne modove. Budući da ne postoji definitivan odnos između frekvencije i početne faze svakog moda, modovi su nekoherentni jedni s drugima, tako da je izlazni intenzitet svjetlosti višestrukih longitudinalnih modova nekoherentni dodatak svakog longitudinalnog moda. Intenzitet izlazne svjetlosti nepravilno varira tijekom vremena. Zaključavanje moda omogućuje višestrukim uzdužnim modovima koji mogu postojati u rezonantnoj šupljini da osciliraju sinkrono, održava frekvencijske intervale svakog moda titranja jednakima i održava njihove početne faze konstantnima, tako da laser emitira kratki impulsni niz s pravilnim i jednakim vremenskim intervalima.
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 >= širina laserske linije; vrijeme relaksacije mora biti kraće od vremena potrebnog da puls jednom putuje naprijed i nazad.
