Ove četiri tehnologije se razmatraju zajedno jer sve one direktno utiču na izlazne karakteristike laserske rezonantne šupljine.
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 visoke svjetline, malog ugla divergencije, jednolike radijalne raspodjele intenziteta svjetlosti i frekvencije pojedinačnih oscilacija. Ima najbolju prostornu i vremensku interferenciju. 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 uvjeti, mjere za ograničavanje laserskih oscilacija moraju se usvojiti kako bi se suzbio rad većine rezonantnih frekvencija u višemodnim laserima, i koristiti tehnologiju odabira moda za dobijanje jednomodnog jednofrekventnog laserskog izlaza.
Izbor moda je podijeljen na dva načina: jedan je odabir uzdužnog moda lasera; drugi je izbor laserskog transverzalnog moda. Prvi ima veći uticaj na izlaznu frekvenciju lasera i može značajno poboljšati koherentnost lasera; potonji uglavnom utiče na ujednačenost intenziteta svjetlosti laserskog izlaza i poboljšava svjetlinu lasera.
1)Odabir longitudinalnog načina rada: Da bi se poboljšala monohromatičnost i dužina koherentnosti zraka, laser treba da radi u jednom 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, Fabry-Ploy etalon metodu, metodu tri ogledala, itd.
2)Izbor poprečnog moda: Uslov za lasersko oscilovanje je da koeficijent pojačanja mora biti veći od koeficijenta gubitka. Gubici se mogu podijeliti na gubitke emisije u liniji koji se odnose na redoslijed poprečnog moda i druge gubitke neovisno o modu oscilovanja. Suština odabira osnovnog poprečnog moda je da način rada TEM00 dostigne uslove oscilovanja i potisne oscilaciju transverzalnih modova višeg reda. Stoga, samo trebamo kontrolirati gubitak emisije u liniji svakog moda visokog reda da bismo postigli svrhu odabira poprečnih modova. Uopšteno govoreći, sve dok oscilacije moda TEM01 i TEM10 moda koje su za jedan red više od osnovnog transverzalnog moda mogu biti potisnute, oscilacije drugih modova višeg reda mogu biti potisnute. Uobičajene metode uključuju: metodu otvora blende, metodu otvora fokusa i metodu teleskopa unutar šupljine, konkavno-konveksnu šupljinu, odabir načina rada s Q-switchedom 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. 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 omjer frekventnog drifta lasera i frekvencije oscilacije unutar neprekidnog radnog vremena. Što je omjer manji, to je veća stabilnost frekvencije. Reprodukcija frekvencije je relativna promjena frekvencije kada se laser koristi u različitim okruženjima. Metode stabilizacije frekvencije podijeljene su u dvije vrste: pasivne i aktivne. Specifične metode stabilizacije frekvencije uključuju: Lamb sag metodu i metodu apsorpcije zasićenja.
3. Q-prekidanje:
Općenito, svjetlosni impulsi koji izlaze iz poluprovodničkih impulsnih lasera nisu pojedinačni glatki impulsi, već niz malih vršnih impulsa različitih intenziteta i širina u mikrosekundnom rasponu. Ova sekvenca svjetlosnih impulsa traje stotinama mikrosekundi ili čak milisekundi, a njena vršna snaga je samo desetine kilovata, što je daleko od zadovoljavanja potreba praktičnih primjena kao što su laserski radar i laserski domet. Iz tog razloga, neki ljudi su predložili koncept Q-switchinga, koji je poboljšao izlazne performanse laserskih impulsa za nekoliko redova veličine, komprimirao širinu impulsa na nivo nanosekunde, a vršna snaga je čak i gigavati.
Q se odnosi na faktor kvaliteta laserske rezonantne šupljine. Specifična formula je Q=2T"Energija pohranjena u rezonantnoj šupljini/energija izgubljena po ciklusu oscilovanja.
U ovom trenutku, princip laserske oscilacije Q-prekidanja: određena metoda se koristi da se rezonantna šupljina dovede u stanje visokih gubitaka i niske Q vrijednosti na početku pumpanja. Prag 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, a oscilacije će se pojaviti izuzetno brzo. U ovom trenutku, energija čestica pohranjenih u metastabilnom stanju će se brzo pretvoriti u energiju fotona, a fotoni će rasti izuzetno velikom brzinom. Laser može emitovati laserski impuls velike vršne snage i uske širine.
Budući da gubitak rezonantne šupljine uključuje gubitak refleksije, gubitak apsorpcije, gubitak radijacije, 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 i dobiti laserske impulse sa širinom impulsa reda mikrosekundi i vršnom snagom reda gigavata. Mode locking tehnologija je tehnologija koja dalje modulira laser na poseban način, prisiljavajući faze različitih uzdužnih modova koji osciliraju u laseru da se fiksiraju, tako da svaki mod može biti koherentno superponiran kako bi se dobili ultrakratki impulsi. 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: Generalno, nejednako prošireni laseri uvijek proizvode više uzdužnih modova. Pošto ne postoji definitivan odnos između frekvencije i početne faze svakog moda, svaki mod je nekoherentan jedan s drugim, tako da je intenzitet svjetlosti koji izlazi iz više longitudinalnih modova 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.
Tehnologija zaključavanja načina rada podijeljena je na aktivno zaključavanje načina rada i pasivno zaključavanje načina rada. Aktivno zaključavanje moda: umetnite modulator sa frekvencijom modulacije v=c/2L u rezonantnu šupljinu kako biste modulirali amplitudu i fazu laserskog izlaza kako bi se postigla sinhrona vibracija svakog longitudinalnog moda. Pasivno zaključavanje načina rada: umetnite kutiju za bojenje sa zasićenim karakteristikama apsorpcije u lasersku šupljinu. Koeficijent apsorpcije kutije za bojenje sa zasićenim apsorpcijskim karakteristikama će se smanjiti s povećanjem intenziteta svjetlosti. U laseru, kako optička pumpa pobuđuje radni materijal, svaki longitudinalni mod će se pojaviti nasumično, a svjetlosno polje će fluktuirati u intenzitetu zbog njihove superpozicije. Kada se neki longitudinalni modovi slučajno koherentno pojačaju, pojavljuju se dijelovi sa jačim intenzitetom svjetlosti, dok su drugi dijelovi slabiji. Ove jače dijelove boja manje apsorbira i gubitak nije velik. Slabiji dijelovi se više apsorbiraju u boji i postaju slabiji. Kao rezultat višestrukog prolaska svjetlosnog polja kroz boju, jaki i slabi dijelovi se jasno razlikuju, a na kraju se ovi dijelovi koherentnog poboljšanja uzdužnog moda biraju u obliku uskih impulsa. Pasivno zaključavanje načina rada ima određene zahtjeve u pogledu optičkih svojstava kutije za bojenje: apsorpciona linija boje mora biti vrlo blizu talasnoj dužini lasera; širina linije apsorpcije mora biti veća ili jednaka širini laserske linije; a vrijeme opuštanja mora biti kraće od vremena potrebnog pulsu da putuje naprijed-nazad u šupljini.
