Tieto štyri technológie sú diskutované spoločne, pretože všetky priamo ovplyvňujú výstupné charakteristiky laserovej rezonancie.
1. Výber režimu:
Výber režimu je vlastne výber frekvencie. Väčšina laserov využíva dlhšie rezonančné dutiny na získanie väčšej výstupnej energie, vďaka čomu je výstup lasera multimódový. Avšak v porovnaní s režimami vyššieho rádu má základný priečny režim (režim TEM00) charakteristiky vysokého jasu, malého uhla divergencie, rovnomerného rozloženia radiálnej intenzity svetla a frekvencie jednej oscilácie a má najlepšiu priestorovú a časové rušenie. Preto je jeden základný laser v priečnom režime ideálnym zdrojom koherentného svetla, čo je veľmi dôležité pre aplikácie, ako je laserová interferometria, spektrálna analýza a laserové spracovanie. Aby sa splnili tieto podmienky, musia sa prijať opatrenia na obmedzenie režimu oscilácie lasera, aby sa potlačila činnosť väčšiny rezonančných frekvencií v laseroch s viacerými režimami, a použiť technológia výberu režimu na získanie jednorežimového jednofrekvenčného laserového výstupu.
Výber režimu je rozdelený do dvoch spôsobov: jedným je výber pozdĺžneho režimu lasera a druhým výberom priečneho režimu lasera. Prvý má väčší vplyv na výstupnú frekvenciu lasera a môže výrazne zlepšiť koherenciu lasera: druhý ovplyvňuje hlavne rovnomernosť intenzity svetla laserového výstupu a zlepšuje jas lasera.
Výber pozdĺžneho režimu: Na zlepšenie monochromatickosti a koherentnej dĺžky svetelného lúča je potrebné, aby laser pracoval v jednom pozdĺžnom režime. Mnohé lasery však často majú niekoľko pozdĺžnych režimov oscilujúcich súčasne. Preto, aby sa navrhol laser s jedným pozdĺžnym režimom, musí sa použiť metóda výberu frekvencie. Bežné metódy zahŕňajú: metódu krátkej dutiny, metódu Fabry-Pulloff etalon, metódu troch reflektorov atď.
2) Výber priečneho režimu: Podmienkou oscilácie lasera je, že koeficient zosilnenia musí byť väčší ako koeficient straty. Stratu možno rozdeliť na difrakčnú stratu súvisiacu s poradím priečneho vidu a ostatné straty nesúvisiace s oscilačným režimom. Podstatou výberu základného priečneho režimu je dosiahnuť, aby režim TEM00 dosiahol oscilačnú podmienku, pričom oscilácia priečneho režimu vyššieho rádu je potlačená. Preto účel výberu priečneho režimu možno dosiahnuť jednoduchým riadením prenosovej straty každého režimu vyššieho rádu. Všeobecne povedané, pokiaľ možno potlačiť oscilácie režimu TEM01 a režimu TEM10, ktoré sú o jeden rád vyššie ako základný priečny režim, možno potlačiť oscilácie iných režimov vyššieho rádu. Bežné metódy zahŕňajú: apertúrnu metódu, metódu zaostrovacej apertúry a konkávno-konvexnú dutinu, výber režimu pomocou Q-prepínania atď. Metóda vnútrokavitového teleskopu,
2. Stabilizácia frekvencie:
Potom, čo laser získa jednofrekvenčnú osciláciu výberom režimu, v dôsledku zmien vnútorných a vonkajších podmienok sa rezonančná frekvencia bude stále pohybovať v rámci celej lineárnej šírky. Tento jav sa nazýva "frekvenčný drift". V dôsledku existencie driftu vzniká problém stability laserovej frekvencie. Účelom stabilizácie frekvencie je pokúsiť sa kontrolovať tieto regulovateľné faktory, aby sa minimalizovalo ich rušenie s frekvenciou oscilácií, čím sa zlepší stabilita frekvencie lasera.
Frekvenčná stabilita zahŕňa dva aspekty: frekvenčnú stabilitu a frekvenčnú reprodukovateľnosť. Stabilita frekvencie sa týka pomeru frekvenčného driftu lasera k frekvencii oscilácií počas subkontinuálneho pracovného času. Čím menší je pomer, tým vyššia je frekvenčná stabilita. Reprodukovateľnosť frekvencie je relatívna zmena frekvencie, keď sa laser používa v rôznych prostrediach. Metódy stabilizácie frekvencie sú rozdelené na pasívne a aktívne typy. Špecifické metódy stabilizácie frekvencie sú: metóda jahňacieho priehybu a metóda absorpcie nasýtenia.
3. Q-spínanie:
Vo všeobecnosti nie sú výstupné svetelné impulzy pulznými lasermi v pevnej fáze jednotlivé hladké impulzy, ale sled malých impulzov s rôznou intenzitou na úrovni mikrosekúnd. Táto sekvencia svetelných impulzov trvá stovky mikrosekúnd alebo dokonca niekoľko desatín sekundy a jej špičkový výkon je len desiatky kilowattov, čo ani zďaleka nezodpovedá potrebám praktických aplikácií, akými sú laserový radar a laserové meranie vzdialenosti. Z tohto dôvodu niektorí ľudia navrhli koncept Q-switchingu, ktorý zlepšil výstupný výkon laserových impulzov o niekoľko rádov, stlačil šírku impulzu na úroveň nanosekúnd a špičkový výkon je až gigawattov.
Q označuje faktor kvality rezonančnej dutiny lasera. Špecifický vzorec je Q=2n*energia uložená v rezonančnej dutine/energia stratená počas oscilačného cyklu.
Princíp Q-spínania: Určitá metóda sa používa na to, aby sa rezonančná dutina na začiatku čerpania dostala do stavu vysokej straty a nízkej hodnoty Q. V tomto čase je prah oscilácie lasera veľmi vysoký a aj keď sa inverzné číslo hustoty častíc nahromadí na veľmi vysokej úrovni, nevyvolá osciláciu: keď číslo inverzie častíc dosiahne maximálnu hodnotu, hodnota Q dutiny sa náhle zvýši, čo spôsobí, že zosilnenie laserového média výrazne prekročí prahovú hodnotu a extrémne rýchlo vytvorí oscilácie. V tomto čase sa energia častíc uložených v metastabilnom stave rýchlo premení na energiu fotónov. Fotóny pribúdajú extrémne vysokou rýchlosťou a laser môže vydávať laserový impulz s vysokým špičkovým výkonom a úzkou šírkou.
Pretože strata rezonančnej dutiny zahŕňa stratu odrazom, stratu absorpcie, stratu difrakcie, stratu rozptylu a stratu prenosu, používajú sa rôzne metódy na kontrolu rôznych typov strát, aby sa vytvorili rôzne technológie Q-spínania. V súčasnosti sú bežné technológie Q-spínania: akusticko-optické Q-spínanie, elektrooptické Q-spínanie a farbiace Q-spínanie.
4. Uzamknutie režimu:
Q-switching dokáže stlačiť šírku laserového impulzu, aby sa získali laserové impulzy so šírkou impulzu rádovo mikrosekúnd a špičkovým výkonom rádovo gigawattov. Technológia uzamknutia režimu je technológia, ktorá ďalej moduluje laser špeciálnym spôsobom, pričom núti fázu každého pozdĺžneho režimu oscilujúceho v laseri zafixovať, takže každý režim je koherentne superponovaný, aby sa získal ultrakrátky impulz. Pomocou technológie uzamknutia režimu možno získať ultrakrátke laserové impulzy so šírkou impulzu rádovo femtosekúnd a špičkovým výkonom vyšším ako rádovo T wattov. Technológia uzamknutia režimu robí laserovú energiu vysoko koncentrovanou v čase a je v súčasnosti najpokročilejšou technológiou na získanie laserov s vysokým špičkovým výkonom.
Princíp blokovania režimu: Vo všeobecnosti nerovnomerne rozšírené lasery vždy vytvárajú viacero pozdĺžnych režimov. Pretože neexistuje žiadny jednoznačný vzťah medzi frekvenciou a počiatočnou fázou každého režimu, režimy sú navzájom nekoherentné, takže výstup intenzity svetla viacerými pozdĺžnymi režimami je nekoherentným súčtom každého pozdĺžneho režimu. Intenzita výstupného svetla v čase nepravidelne kolíše. Uzamknutie režimov umožňuje, aby viaceré pozdĺžne režimy, ktoré môžu existovať v rezonančnej dutine, oscilovali synchrónne, udržiava frekvenčné intervaly každého režimu oscilácie rovnaké a udržiava ich počiatočné fázy konštantné, takže laser vydáva krátku sekvenciu impulzov s pravidelnými a rovnakými časovými intervalmi.
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 >= šírka laserovej čiary; relaxačný čas musí byť kratší ako čas potrebný na to, aby pulz raz prešiel tam a späť.
