Ove četiri tehnologije se razmatraju zajedno jer sve one direktno utiču na izlazne karakteristike laserske rezonancije.
1. Odabir načina rada:
Odabir načina je zapravo odabir frekvencije. Većina lasera koristi duže rezonantne šupljine da bi dobili veću izlaznu energiju, što laserski izlaz čini multimodnim. Međutim, u poređenju sa modovima višeg reda, osnovni transverzalni mod (TEM00 mod) ima karakteristike visokog sjaja, malog ugla divergencije, ujednačene radijalne raspodjele intenziteta svjetlosti i frekvencije pojedinačnih oscilacija, te ima najbolju prostornu i temporalne smetnje. Stoga je jedan osnovni laser poprečnog moda idealan koherentni izvor svjetlosti, što je vrlo važno za primjene kao što su laserska interferometrija, spektralna analiza i laserska obrada. Da bi se ispunili ovi uslovi, moraju se usvojiti mere za ograničavanje moda laserske oscilacije kako bi se suzbio rad većine rezonantnih frekvencija u višemodnim laserima, i koristiti tehnologiju odabira režima da bi se dobio monomodni jednofrekventni laserski izlaz.
Izbor moda je podijeljen na dva načina: jedan je odabir laserskog longitudinalnog moda, a drugi je odabir laserskog poprečnog moda. Prvi ima veći utjecaj na izlaznu frekvenciju lasera i može uvelike poboljšati koherentnost lasera: drugi uglavnom utječe na ujednačenost svjetlosnog intenziteta laserskog izlaza i poboljšava svjetlinu lasera.
Odabir longitudinalnog moda: Da bi se poboljšala monohromatika i dužina koherentnosti svjetlosnog snopa, potrebno je da laser radi u jednostrukom uzdužnom modu. Međutim, mnogi laseri često imaju nekoliko longitudinalnih modova koji osciliraju u isto vrijeme. Stoga, da bi se dizajnirao jedan laser uzdužnog moda, mora se koristiti metoda odabira frekvencije. Uobičajene metode uključuju: metodu kratkih šupljina, metodu Fabry-Pulloff etalona, metodu sa tri reflektora, itd.
2) Izbor transverzalnog moda: Uslov za lasersko oscilovanje je da koeficijent pojačanja mora biti veći od koeficijenta gubitka. Gubitak se može podijeliti na gubitke difrakcije koji se odnose na poprečni modus i druge gubitke koji nisu povezani s modom oscilovanja. Suština osnovnog odabira poprečnog moda je da TEM00 način dostigne stanje oscilovanja, dok se oscilacija poprečnog moda višeg reda potiskuje. Stoga se svrha odabira poprečnog moda može postići jednostavnom kontrolom gubitka prijenosa svakog moda višeg reda. Uopšteno govoreći, sve dok oscilacije moda TEM01 i TEM10 moda koje su za jedan red više od osnovnog poprečnog moda mogu biti potisnute, oscilacije drugih modova višeg reda mogu biti potisnute. Uobičajene metode uključuju: metodu otvora blende, metodu fokusnog otvora i konkavno-konveksnu šupljinu, odabir načina rada pomoću Q-switchinga, itd. Metoda intrakavitetnog teleskopa,
2. Stabilizacija frekvencije:
Nakon što laser dobije jednofrekventnu oscilaciju kroz odabir načina rada, zbog promjena u unutrašnjim i vanjskim uvjetima, rezonantna frekvencija će se i dalje kretati unutar cijele linearne širine. Ovaj fenomen se naziva "frekvencijski drift". Zbog postojanja drifta javlja se problem stabilnosti frekvencije lasera. Svrha stabilizacije frekvencije je da pokuša da kontroliše ove kontrolisane faktore kako bi se minimizirala njihova interferencija sa frekvencijom oscilovanja, čime se poboljšava stabilnost frekvencije lasera.
Stabilnost frekvencije uključuje dva aspekta: stabilnost frekvencije i reproduktivnost frekvencije. Stabilnost frekvencije se odnosi na odnos frekventnog drifta lasera i frekvencije oscilovanja tokom sub-kontinuiranog radnog vremena. Što je omjer manji, to je veća stabilnost frekvencije. Reproducibilnost 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-prekidanje:
Uopšteno govoreći, svjetlosni impulsi koji izlaze iz poluprovodničkih impulsnih lasera nisu pojedinačni glatki impulsi, već niz malih šiljastih impulsa različitih intenziteta na nivou mikrosekunde. Ova sekvenca svjetlosnih impulsa traje stotinama mikrosekundi ili čak nekoliko desetinki sekunde, a njegova vršna snaga je samo desetine kilovata, što je daleko od zadovoljavanja potreba praktičnih primjena kao što su laserski radar i laserski raspon. Iz tog razloga, neki ljudi su predložili koncept Q-prekidanja, koji je poboljšao izlazne performanse laserskih impulsa za nekoliko redova veličine, komprimirao širinu impulsa na nivo nanosekunde, a vršna snaga je čak i gigavata.
Q se odnosi na faktor kvaliteta laserske rezonantne šupljine. Specifična formula je Q=2n*energija pohranjena u rezonantnoj šupljini/energija izgubljena po ciklusu oscilovanja.
Princip Q-prekidanja: Određena metoda se koristi da se rezonantna šupljina dovede u stanje visokih gubitaka i niske Q vrijednosti na početku pumpanja. U ovom trenutku, prag laserske oscilacije je vrlo visok, pa čak i ako se broj inverzije gustine čestica akumulira na vrlo visok nivo, neće proizvesti oscilaciju: kada broj inverzije čestica dostigne vršnu vrijednost, Q vrijednost šupljine se naglo povećava, što će uzrokovati da pojačanje laserskog medija znatno premaši prag i proizvodi oscilacije izuzetno brzo. U ovom trenutku, energija čestica pohranjenih u metastabilnom stanju će se brzo pretvoriti u energiju fotona. Fotoni se povećavaju izuzetno velikom brzinom, a laser može proizvesti laserski impuls velike vršne snage i uske širine.
Budući da gubitak rezonantne šupljine uključuje gubitak refleksije, gubitak apsorpcije, gubitak difrakcije, gubitak raspršivanja i gubitak transmisije, različite metode se koriste za kontrolu različitih vrsta gubitaka kako bi se formirale različite tehnologije Q-prekidanja. Trenutno, uobičajene tehnologije Q-prekidanja su: akusto-optički Q-prekidač, elektro-optički Q-prekidač i Q-prekidač boje.
4. Zaključavanje načina rada:
Q-prekidanje može komprimirati širinu laserskog impulsa kako bi se dobili laserski impulsi sa širinom impulsa reda mikrosekundi i vršnom snagom reda gigavata. Mode locking tehnologija je tehnologija koja dalje modulira laser na poseban način, prisiljavajući da se fiksira faza svakog longitudinalnog moda koji oscilira u laseru, tako da se svaki mod koherentno superponira kako bi se dobio ultrakratki impuls. Koristeći tehnologiju zaključavanja moda, mogu se dobiti ultrakratki laserski impulsi sa širinom impulsa reda femtosekundi i vršnom snagom većom od reda T vati. Tehnologija zaključavanja načina rada čini lasersku energiju visoko koncentriranom u vremenu i trenutno je najnaprednija tehnologija za dobivanje lasera velike vršne snage.
Princip zaključavanja moda: Općenito, neujednačeno prošireni laseri uvijek proizvode više uzdužnih modova. Pošto ne postoji definitivan odnos između frekvencije i početne faze svakog moda, modovi su nekoherentni jedni s drugima, tako da je izlazni intenzitet svjetlosti višestrukim longitudinalnim modovima nekoherentno dodavanje svakog longitudinalnog moda. Intenzitet izlaznog svjetla nepravilno fluktuira tokom vremena. Zaključavanje moda omogućava da više longitudinalnih modova koji mogu postojati u rezonantnoj šupljini sinhrono osciliraju, održava intervale frekvencija svakog moda oscilovanja jednakim i održava njihove početne faze konstantnim, tako da laser daje kratku sekvencu impulsa 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 opuštanja mora biti kraće od vremena potrebnog da puls jednom putuje naprijed-nazad.
