Ove četiri tehnologije razmatraju se zajedno jer sve izravno utječu na izlazne karakteristike laserske rezonantne šupljine.
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. Ima najbolju prostornu i vremensku interferenciju. 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 oscilacija lasera kako bi se potisnulo djelovanje većine rezonantnih frekvencija u višemodnim laserima i upotrijebila tehnologija odabira načina rada za dobivanje jednofrekventnog laserskog izlaza jednog moda.
Odabir načina rada podijeljen je na dva načina: jedan je odabir uzdužnog načina rada lasera; drugi je odabir laserskog transverzalnog moda. Prvi ima veći utjecaj na izlaznu frekvenciju lasera i može znatno poboljšati koherenciju lasera; potonji uglavnom utječe na ujednačenost intenziteta svjetlosti laserskog izlaza i poboljšava svjetlinu lasera.
1)Odabir longitudinalnog načina rada: kako bi se poboljšala monokromatičnost i duljina koherencije zrake, laser mora raditi u jednom longitudinalnom 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-Ploy etalona, metodu tri zrcala, itd.
2)Odabir transverzalnog moda: Uvjet za lasersko osciliranje je da koeficijent pojačanja mora biti veći od koeficijenta gubitka. Gubici se mogu podijeliti na gubitke emisije vezane uz transverzalni redoslijed moda i druge gubitke neovisne o modu titranja. Bit odabira temeljnog transverzalnog moda je postići da TEM00 mod postigne uvjete osciliranja i potisne oscilaciju transverzalnih modova višeg reda. Stoga, samo trebamo kontrolirati gubitak linijske emisije svakog moda visokog reda kako bismo postigli svrhu odabira transverzalnih modova. Općenito govoreći, sve dok se mogu potisnuti oscilacije moda TEM01 i moda TEM10 koje su za jedan red više od osnovnog transverzalnog moda, mogu se potisnuti i oscilacije drugih modova višeg reda. Uobičajene metode uključuju: metodu otvora blende, metodu fokusnog otvora blende i metodu intra-kavitetnog teleskopa, konkavno-konveksnu šupljinu, korištenje odabira načina rada s Q-sklopkom, itd.
2. Stabilizacija frekvencije:
Nakon što laser dobije jednofrekventnu oscilaciju kroz odabir načina rada, rezonantna frekvencija će se i dalje kretati unutar cijele linearne širine zbog promjena u unutarnjim i vanjskim uvjetima. Taj se fenomen naziva "odstupanje frekvencije". 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 unutar neprekidnog radnog vremena. Što je omjer manji, veća je stabilnost frekvencije. Reprodukcija frekvencije je relativna promjena frekvencije kada se laser koristi u različitim okruženjima. Metode stabilizacije frekvencije dijele se na dvije vrste: pasivne i aktivne. Specifične metode stabilizacije frekvencije uključuju: Lamb sag metodu i metodu apsorpcije zasićenja.
3. Q-sklopka:
Općenito, svjetlosni impulsi koje emitiraju poluprovodnički pulsni laseri nisu pojedinačni glatki impulsi, već niz malih vršnih impulsa s različitim intenzitetom i širinom u mikrosekundnom rasponu. Ovaj slijed svjetlosnih impulsa traje stotine mikrosekundi ili čak milisekundi, a njegova vršna snaga je samo nekoliko desetaka 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=2T"Energija pohranjena u rezonantnoj šupljini/Energija izgubljena po ciklusu oscilacije.
U ovom trenutku, princip laserske oscilacije Q-prebacivanja: koristi se određena metoda da se rezonantna šupljina postavi u stanje s velikim gubicima i niskom Q vrijednošću na početku pumpanja. Prag oscilacije je vrlo visok, pa čak i ako se broj inverzije gustoće čestica akumulira na vrlo visoku razinu, neće proizvesti oscilacije; kada broj inverzije čestica dosegne vršnu vrijednost, Q vrijednost šupljine se iznenada povećava, što će uzrokovati da pojačanje laserskog medija uvelike premaši prag, a oscilacija će se dogoditi iznimno brzo. U to će se vrijeme energija čestica pohranjenih u metastabilnom stanju brzo pretvoriti u energiju fotona, a fotoni će se povećavati iznimno velikom brzinom. Laser može emitirati laserski impuls velike vršne snage i male širine.
Budući da gubitak rezonantne šupljine uključuje gubitak refleksije, gubitak apsorpcije, gubitak zračenjem, 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 i dobiti laserske impulse s pulsnom širinom reda veličine mikrosekunde i vršnom snagom reda veličine gigavata. Tehnologija zaključavanja moda je tehnologija koja dalje modulira laser na poseban način, prisiljavajući da se faze različitih uzdužnih modova koji osciliraju u laseru fiksiraju, tako da se svaki mod može koherentno superponirati kako bi se dobili ultrakratki impulsi. 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, svaki mod je nekoherentan jedan s drugim, tako da je izlazni intenzitet svjetlosti višestrukih longitudinalnih modova nekoherentni dodatak svakog longitudinalnog moda. Intenzitet izlazne svjetlosti nepravilno varira tijekom vremena. Zaključavanje moda omogućuje sinkrono osciliranje višestrukih uzdužnih modova koji mogu postojati u rezonantnoj šupljini, održava frekvencijske intervale svakog moda titranja jednakima i njihove početne faze konstantnima, tako da laser emitira kratki impulsni niz s pravilnim i jednakim vremenskim intervalima.
Tehnologija zaključavanja načina rada dijeli se na zaključavanje aktivnog načina rada i zaključavanje pasivnog načina rada. Aktivno zaključavanje načina rada: umetnite modulator s modulacijskom frekvencijom v=c/2L u rezonantnu šupljinu kako biste modulirali amplitudu i fazu izlaza lasera kako biste postigli sinkronu vibraciju svakog uzdužnog načina rada. Zaključavanje pasivnog načina rada: umetnite kutiju s bojom sa karakteristikama zasićene apsorpcije u lasersku šupljinu. Koeficijent apsorpcije kutije za bojenje sa karakteristikama apsorpcije koja se može zasititi smanjit će se s povećanjem intenziteta svjetlosti. U laseru, dok optička pumpa pobuđuje radni materijal, svaki uzdužni mod će se pojaviti nasumično, a svjetlosno polje će varirati u intenzitetu zbog njihove superpozicije. Kada se neki longitudinalni modovi slučajno koherentno pojačaju, pojavljuju se dijelovi s jačim intenzitetom svjetlosti, dok su drugi dijelovi slabiji. Te jače dijelove boja slabije upija i gubitak nije velik. Boja više upija slabije dijelove i postaje slabija. Kao rezultat svjetlosnog polja koje mnogo puta prolazi kroz boju, jaki i slabi dijelovi se jasno razlikuju, i konačno se ovi dijelovi koherentnog poboljšanja uzdužnog moda odabiru u obliku uskih impulsa. Zaključavanje pasivnog načina ima određene zahtjeve za optička svojstva kutije za boju: linija apsorpcije boje mora biti vrlo blizu valnoj duljini lasera; širina linije apsorpcijske linije mora biti veća ili jednaka širini laserske linije; a vrijeme relaksacije mora biti kraće od vremena koje je potrebno da puls putuje naprijed-nazad u šupljini.
