Näitä neljää tekniikkaa käsitellään yhdessä, koska ne kaikki vaikuttavat suoraan laserresonanssin lähtöominaisuuksiin.
1. Tilan valinta:
Tilan valinta on itse asiassa taajuuden valintaa. Useimmat laserit käyttävät pidempiä resonanssionteloita saadakseen suuremman lähtöenergian, mikä tekee lasertulosta monimuotoisen. Kuitenkin verrattuna korkeamman asteen tiloihin, perustavanlaatuisella poikittaismoodilla (TEM00) on korkea kirkkaus, pieni hajautuskulma, tasainen säteittäinen valon intensiteettijakauma ja yksittäinen värähtelytaajuus, ja sillä on parhaat tila- ja ajallinen häiriö. Siksi yksi perustavanlaatuinen poikittainen laser on ihanteellinen koherentti valonlähde, joka on erittäin tärkeä sovelluksissa, kuten laserinterferometria, spektrianalyysi ja laserkäsittely. Näiden ehtojen täyttämiseksi on toteutettava toimenpiteitä laservärähtelytilan rajoittamiseksi useimpien resonanssitaajuuksien toiminnan vaimentamiseksi monimuotolasereissa ja käytettävä tilanvalintatekniikkaa yksimuotoisen yksitaajuisen laserlähdön saamiseksi.
Tilan valinta on jaettu kahteen tapaan: toinen on laserin pituussuuntaisen tilan valinta ja toinen laserin poikkisuuntaisen tilan valinta. Ensin mainitulla on suurempi vaikutus laserin lähtötaajuuteen ja se voi parantaa huomattavasti laserin koherenssia: jälkimmäinen vaikuttaa pääasiassa laserulostulon valon intensiteetin tasaisuuteen ja parantaa laserin kirkkautta.
Pituussuuntaisen tilan valinta: Valosäteen monokromaattisuuden ja koherenssipituuden parantamiseksi on välttämätöntä saada laser toimimaan yksipitkittäistilassa. Monilla lasereilla on kuitenkin usein useita pitkittäisiä värähtelymuotoja samanaikaisesti. Siksi yhden pitkittäismuotoisen laserin suunnittelussa on käytettävä taajuuden valintamenetelmää. Yleisiä menetelmiä ovat: lyhyt ontelomenetelmä, Fabry-Pulloff etalon -menetelmä, kolmen heijastimen menetelmä jne.
2) Transverse mode -valinta: Laservärähtelyn ehtona on, että vahvistuskertoimen on oltava suurempi kuin häviökerroin. Häviö voidaan jakaa poikittaismoodiin liittyvään diffraktiohäviöön ja muihin häviöihin, jotka eivät liity värähtelymoodiin. Poikittaismuodon perusvalinnan olemus on saada TEM00-moodi saavuttamaan värähtelytilan, kun taas korkeamman asteen poikittaismoodin värähtely vaimenee. Siksi poikittaismoodin valinnan tarkoitus voidaan saavuttaa yksinkertaisesti säätämällä kunkin korkeamman asteen moodin lähetyshäviötä. Yleisesti ottaen niin kauan kuin TEM01-moodin ja TEM10-moodin värähtelyt, jotka ovat yhden kertaluvun suurempia kuin perustavanlaatuinen poikittaismoodi, voidaan vaimentaa, muiden korkeamman asteen moodien värähtely voidaan vaimentaa. Yleisiä menetelmiä ovat: aukkomenetelmä, tarkennusaukkomenetelmä ja kovera-kupera onkalo, tilan valinta Q-kytkennällä jne. Intrakaviteettiteleskooppimenetelmä,
2. Taajuuden stabilointi:
Sen jälkeen kun laser on saanut yksitaajuisen värähtelyn moodivalinnalla, sisäisten ja ulkoisten olosuhteiden muutoksista johtuen resonanssitaajuus liikkuu edelleen koko lineaarisen leveyden sisällä. Tätä ilmiötä kutsutaan "taajuusryömimiseksi". Ajelun olemassaolon vuoksi syntyy lasertaajuuden stabiilisuuden ongelma. Taajuusstabiloinnin tarkoituksena on yrittää ohjata näitä säädettäviä tekijöitä minimoimaan niiden häiriöt värähtelytaajuuden kanssa, mikä parantaa lasertaajuuden vakautta.
Taajuusstabiilisuus sisältää kaksi näkökohtaa: taajuuden stabiilius ja taajuuden toistettavuus. Taajuusstabiiliudella tarkoitetaan laserin taajuusryömimän suhdetta värähtelytaajuuteen osajatkuvan työajan aikana. Mitä pienempi suhde, sitä korkeampi taajuuden vakaus. Taajuuden toistettavuus on suhteellinen taajuuden muutos, kun laseria käytetään eri ympäristöissä. Taajuusvakautusmenetelmät jaetaan passiivisiin ja aktiivisiin tyyppeihin. Erityiset taajuuden stabilointimenetelmät ovat: Lamb sag -menetelmä ja saturaatioabsorptiomenetelmä.
3. Q-vaihto:
Yleensä puolijohdepulssilaserien tuottamat valopulssit eivät ole yksittäisiä sileitä pulsseja, vaan sarja pieniä piikkipulsseja, joilla on eri intensiteetit mikrosekunnin tasolla. Tämä valopulssisarja kestää satoja mikrosekunteja tai jopa muutaman sekunnin kymmenesosan, ja sen huipputeho on vain kymmeniä kilowatteja, mikä on kaukana käytännön sovellusten kuten lasertutkan ja laseretäisyyden tarpeista. Tästä syystä jotkut ovat ehdottaneet Q-kytkennän konseptia, joka on parantanut laserpulssien lähtötehoa useilla suuruusluokilla, tiivistänyt pulssin leveyden nanosekunnin tasolle ja huipputeho on jopa gigawattia.
Q viittaa laserresonanssiontelon laatutekijään. Tarkka kaava on Q=2n* resonanssionteloon tallennettu energia / värähtelysykliä kohti menetetty energia.
Q-kytkentäperiaate: Tietyn menetelmän avulla resonanssiontelo saatetaan suuren häviön ja alhaisen Q-arvon tilaan pumppauksen alussa. Tällä hetkellä laservärähtelyn kynnys on erittäin korkea, ja vaikka hiukkastiheyden inversioluku kumuloituisi erittäin korkealle tasolle, se ei tuota värähtelyä: kun hiukkasten inversioluku saavuttaa huippuarvon, ontelon Q-arvo kasvaa äkillisesti, mikä aiheuttaa sen, että lasermedian vahvistus ylittää suuresti kynnyksen ja tuottaa värähtelyjä erittäin nopeasti. Tällä hetkellä metastabiiliin tilaan varastoituneiden hiukkasten energia muuttuu nopeasti fotonien energiaksi. Fotonit lisääntyvät erittäin nopeasti, ja laser voi tuottaa laserpulssin suurella huipputeholla ja kapealla leveydellä.
Koska resonanssiontelon häviö sisältää heijastushäviön, absorptiohäviön, diffraktiohäviön, sirontahäviön ja lähetyshäviön, käytetään erilaisia menetelmiä erityyppisten häviöiden ohjaamiseen erilaisten Q-kytkentätekniikoiden muodostamiseksi. Tällä hetkellä yleisiä Q-kytkentätekniikoita ovat: akusto-optinen Q-kytkentä, sähköoptinen Q-kytkentä ja väriaine Q-kytkentä.
4. Tilan lukitus:
Q-kytkennällä voidaan kompressoida laserpulssin leveyttä, jolloin saadaan laserpulsseja, joiden pulssin leveys on mikrosekuntia ja huipputeho gigawattia. Moodin lukitustekniikka on tekniikka, joka moduloi laseria edelleen erityisellä tavalla pakottamalla jokaisen laserissa värähtelevän pitkittäismoodin vaiheen kiinnittymään siten, että jokainen tila on koherentisti päällekkäin ultralyhyen pulssin saamiseksi. Tilan lukitustekniikan avulla voidaan saada ultralyhyitä laserpulsseja, joiden pulssin leveys on femtosekuntien luokkaa ja huipputeho suurempi kuin T wattia. Tilan lukitustekniikka tekee laserenergiasta erittäin keskittyneen ajassa ja on tällä hetkellä edistynein tekniikka suuritehoisten lasereiden saamiseksi.
Tilan lukitusperiaate: Yleensä epätasaisesti levennetyt laserit tuottavat aina useita pitkittäismuotoja. Koska kunkin moodin taajuuden ja alkuvaiheen välillä ei ole selvää suhdetta, moodit ovat epäkoherentteja keskenään, joten useiden pitkittäismoodien valon intensiteetti on kunkin pitkittäismoodin epäkoherentti lisäys. Lähtövalon voimakkuus vaihtelee epäsäännöllisesti ajan myötä. Tilan lukitus mahdollistaa useiden resonanssiontelossa mahdollisesti olevien pitkittäisten moodien värähtelyn synkronisesti, pitää kunkin värähtelymoodin taajuusvälit tasaisina ja niiden alkuvaiheet vakioina, jolloin laser tulostaa lyhyen pulssisekvenssin säännöllisin ja tasaisin aikavälein.
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 >= laserviivan leveys; rentoutumisajan tulee olla lyhyempi kuin aika, joka kuluu pulssin kulkemiseen edestakaisin kerran.
