Эти четыре технологии рассматриваются вместе, поскольку все они напрямую влияют на выходные характеристики лазерного резонансного резонатора.
1. Выбор режима:
Выбор моды 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. Она 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 лазерной генерации для подавления работы большинства резонансных частот в многомодовых лазерах и использовать технологию выбора моды для получения одномодового одночастотного выхода лазера.
Выбор режима делится на два способа: один - это выбор продольной моды лазера; другой - это 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.
1)Выбор продольной моды: Для улучшения монохроматичности и длины когерентности луча лазер должен работать в одной продольной 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-Плоя, метод трех зеркал 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 потери излучения линий, связанные с порядком поперечной моды, и другие потери, не зависящие от моды колебаний. Суть выбора основной поперечной моды заключается в том, чтобы заставить моду TEM00 достичь условий колебаний и подавить колебания поперечных мод более высокого порядка. Поэтому нам нужно только контролировать потери излучения линий каждой моды более высокого порядка, чтобы достичь цели выбора поперечных мод. 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. Общие методы включают: метод апертуры, метод фокусирующей апертуры и метод внутрирезонаторного телескопа, вогнуто-выпуклый резонатор, использование выбора мод с модуляцией добротности и т. д.
2. Стабилизация частоты:
После того, как лазер получает одночастотную генерацию посредством выбора моды, резонансная частота все еще будет двигаться в пределах всей линейной ширины из-за изменений внутренних и внешних условий. 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 вмешательство в частоту 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 непрерывного рабочего времени. Чем меньше отношение, тем выше стабильность частоты. Воспроизведение частоты — это относительное изменение частоты при использовании лазера в различных средах. Методы стабилизации частоты делятся на два типа: пассивные и активные. Конкретные методы стабилизации частоты включают: 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 и шириной в микросекундном диапазоне. Эта последовательность световых импульсов длится сотни микросекунд или даже миллисекунд, 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 наносекундного уровня, а пиковая мощность достигла гигаватт.
Q относится к добротности лазерного резонансного резонатора. Конкретная формула — Q=2T"Энергия, запасенная в резонансном резонаторе/Энергия, потерянная за цикл колебаний.
В это время принцип лазерной генерации Q-switching: определенный метод используется для перевода резонансной полости в состояние с высокими потерями и низким значением Q в начале накачки. Порог колебаний очень высок, и даже если число инверсии плотности частиц накапливается до очень высокого уровня, оно не вызовет колебаний; когда число инверсии частиц достигает пикового значения, значение Q полости внезапно увеличивается, что приведет к тому, что усиление лазерной среды значительно превысит порог, и колебания будут происходить чрезвычайно быстро. В это время энергия частиц, хранящихся в метастабильном состоянии, будет быстро преобразована в энергию фотонов, и фотоны будут увеличиваться с чрезвычайно высокой скоростью. 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 излучение, 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 и получать лазерные импульсы с шириной импульса порядка микросекунд и пиковой мощностью порядка гигаватт. Технология синхронизации мод — это технология, которая дополнительно модулирует лазер особым образом, заставляя фазы различных продольных мод, колеблющихся в лазере, фиксироваться, так что каждая мода может быть когерентно наложена для получения сверхкоротких импульсов. Используя технологию синхронизации мод, можно получать 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: Как правило, неравномерно уширенные лазеры всегда производят несколько продольных мод. Поскольку нет определенной связи между частотой и начальной фазой каждой моды, каждая мода некогерентна 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.
Технология синхронизации мод делится на активную синхронизацию мод и пассивную синхронизацию мод. Активная синхронизация мод: вставьте модулятор с частотой модуляции v=c/2L в резонансную полость для модуляции амплитуды и фазы выходного сигнала лазера для достижения синхронной вибрации каждой продольной моды. Пассивная синхронизация мод: вставьте коробку с красителем с насыщенными характеристиками поглощения в лазерную полость. Коэффициент поглощения коробки с красителем с насыщаемыми характеристиками поглощения будет уменьшаться с увеличением интенсивности света. В лазере, когда оптическая накачка возбуждает рабочий материал, каждая продольная мода будет возникать случайным образом, и световое поле будет колебаться по интенсивности из-за их суперпозиции. Когда некоторые продольные моды когерентно усиливаются случайно, появляются части с более сильной интенсивностью света, в то время как другие части слабее. Эти более сильные части меньше поглощаются красителем, и потери невелики. Более слабые части больше поглощаются красителем и становятся слабее. В результате многократного прохождения светового поля через краситель сильные и слабые части четко различаются, и, наконец, эти продольные модовые когерентные части усиления выбираются в виде узких импульсов. Пассивная синхронизация мод имеет определенные требования к оптическим свойствам коробки с красителем: линия поглощения красителя должна быть очень близка к длине волны лазера; ширина линии поглощения должна быть больше или равна ширине линии лазера; и время релаксации должно быть короче времени, необходимого импульсу для перемещения туда и обратно в полости.
