Эти четыре технологии рассматриваются вместе, поскольку все они напрямую влияют на выходные характеристики лазерного резонанса.
1. Выбор режима:
Выбор режима на самом деле является выбором частоты. Большинство лазеров используют более длинные резонансные полости для получения большей выходной энергии, что делает выход лазера многомодовым. Однако, по сравнению с модами более высокого порядка, основная поперечная мода (TEM00) имеет характеристики высокой яркости, малого угла расхождения, равномерного радиального распределения интенсивности света и одиночной частоты колебаний, а также имеет наилучшую пространственную и временную интерференцию. Поэтому одиночный основной поперечный лазер является идеальным источником когерентного света, что очень важно для таких приложений, как лазерная интерферометрия, спектральный анализ и лазерная обработка. Чтобы выполнить эти условия, необходимо принять меры по ограничению режима лазерных колебаний для подавления работы большинства резонансных частот в многомодовых лазерах и использовать технологию выбора режима для получения одномодового одночастотного выхода лазера.
Выбор моды делится на два способа: один - это выбор продольной моды лазера, а другой - выбор поперечной моды лазера. Первый оказывает большее влияние на выходную частоту лазера и может значительно улучшить когерентность лазера: последний в основном влияет на однородность интенсивности света на выходе лазера и улучшает яркость лазера.
Выбор продольной моды: Для улучшения монохроматичности и длины когерентности светового луча необходимо заставить лазер работать в однопродольной моде. Однако многие лазеры часто имеют несколько продольных мод, колеблющихся одновременно. Поэтому для проектирования лазера с одной продольной модой необходимо использовать метод выбора частоты. Распространенные методы включают: метод короткого резонатора, метод эталона Фабри-Пуллоффа, метод трех отражателей и т. д.
2) Выбор поперечной моды: условием для лазерной генерации является то, что коэффициент усиления должен быть больше коэффициента потерь. Потери можно разделить на дифракционные потери, связанные с порядком поперечной моды, и другие потери, не связанные с модой колебаний. Суть выбора основной поперечной моды заключается в том, чтобы заставить моду TEM00 достичь состояния колебаний, в то время как колебания поперечной моды более высокого порядка подавляются. Поэтому цель выбора поперечной моды может быть достигнута путем простого управления потерями на передачу каждой моды более высокого порядка. Вообще говоря, пока колебания моды TEM01 и моды TEM10, которые на один порядок выше основной поперечной моды, могут быть подавлены, колебания других мод более высокого порядка могут быть подавлены. Обычные методы включают: метод апертуры, метод фокусирующей апертуры и вогнуто-выпуклой полости, выбор моды с использованием добротности модуляции и т. д. Метод внутрирезонаторного телескопа,
2. Стабилизация частоты:
После того, как лазер получает одночастотную генерацию посредством выбора моды, из-за изменений внутренних и внешних условий резонансная частота все еще будет двигаться в пределах всей линейной ширины. Это явление называется «дрейфом частоты». Из-за существования дрейфа возникает проблема стабильности частоты лазера. Цель стабилизации частоты — попытаться контролировать эти контролируемые факторы, чтобы минимизировать их помехи частоте генерации, тем самым улучшая стабильность частоты лазера.
Стабильность частоты включает в себя два аспекта: стабильность частоты и воспроизводимость частоты. Стабильность частоты относится к отношению дрейфа частоты лазера к частоте колебаний в течение субнепрерывного рабочего времени. Чем меньше отношение, тем выше стабильность частоты. Воспроизводимость частоты - это относительное изменение частоты при использовании лазера в различных средах. Методы стабилизации частоты делятся на пассивные и активные. Конкретные методы стабилизации частоты: метод провисания Лэмба и метод насыщенного поглощения.
3. Модуляция добротности:
Как правило, световые импульсы, выдаваемые твердотельными импульсными лазерами, представляют собой не одиночные гладкие импульсы, а последовательность небольших пиковых импульсов с различной интенсивностью на уровне микросекунд. Эта последовательность световых импульсов длится сотни микросекунд или даже несколько десятых секунды, а ее пиковая мощность составляет всего десятки киловатт, что далеко от удовлетворения потребностей практических приложений, таких как лазерные радары и лазерная локация. По этой причине некоторые люди предложили концепцию модуляции добротности, которая улучшила выходные характеристики лазерных импульсов на несколько порядков, сжала ширину импульса до уровня наносекунд, а пиковая мощность достигла гигаватт.
Q относится к добротности лазерной резонансной полости. Конкретная формула — Q=2n*энергия, запасенная в резонансной полости/энергия, потерянная за цикл колебаний.
Принцип модуляции добротности: определенный метод используется для перевода резонансной полости в состояние с высокими потерями и низким значением добротности в начале накачки. В это время порог лазерной генерации очень высок, и даже если число инверсии плотности частиц накапливается до очень высокого уровня, оно не вызовет осцилляции: когда число инверсии частиц достигает пикового значения, значение добротности полости внезапно увеличивается, что приводит к тому, что усиление лазерной среды значительно превышает пороговое значение и чрезвычайно быстро вызывает осцилляции. В это время энергия частиц, хранящихся в метастабильном состоянии, будет быстро преобразована в энергию фотонов. Фотоны увеличиваются с чрезвычайно высокой скоростью, и лазер может выдавать лазерный импульс с высокой пиковой мощностью и узкой шириной.
Поскольку потери резонансной полости включают потери на отражение, потери на поглощение, потери на дифракцию, потери на рассеяние и потери на передачу, для управления различными типами потерь используются различные методы для формирования различных технологий модуляции добротности. В настоящее время распространенными технологиями модуляции добротности являются: акустооптическая модуляция добротности, электрооптическая модуляция добротности и модуляция добротности красителя.
4. Блокировка режима:
Q-switching может сжимать ширину лазерного импульса для получения лазерных импульсов с шириной импульса порядка микросекунд и пиковой мощностью порядка гигаватт. Технология синхронизации мод - это технология, которая дополнительно модулирует лазер особым образом, заставляя фазу каждой продольной моды, колеблющейся в лазере, быть фиксированной, так что каждая мода когерентно накладывается для получения сверхкороткого импульса. Используя технологию синхронизации мод, можно получить сверхкороткие лазерные импульсы с шириной импульса порядка фемтосекунд и пиковой мощностью выше порядка Т ватт. Технология синхронизации мод делает энергию лазера высококонцентрированной во времени и в настоящее время является самой передовой технологией для получения лазеров с высокой пиковой мощностью.
Принцип синхронизации мод: В общем случае неравномерно уширенные лазеры всегда производят несколько продольных мод. Поскольку нет определенной связи между частотой и начальной фазой каждой моды, моды некогерентны друг с другом, поэтому интенсивность света, выдаваемая несколькими продольными модами, является некогерентным сложением каждой продольной моды. Интенсивность выходного света колеблется нерегулярно с течением времени. Синхронизация мод позволяет нескольким продольным модам, которые могут существовать в резонансной полости, колебаться синхронно, сохраняет частотные интервалы каждой моды колебаний равными и сохраняет их начальные фазы постоянными, так что лазер выдает короткую последовательность импульсов с регулярными и равными интервалами во времени.
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 >= ширина лазерной линии; время релаксации должно быть короче времени, необходимого импульсу для одного перемещения туда и обратно.
