Ezt a négy technológiát együtt tárgyaljuk, mert mindegyik közvetlenül befolyásolja a lézerrezonáns üreg kimeneti jellemzőit.
1. Üzemmód kiválasztása:
A módválasztás valójában frekvenciaválasztás. A legtöbb lézer hosszabb rezonáns üregeket használ a nagyobb kimeneti energia eléréséhez, ami a lézerkimenetet többmódusúvá teszi. A magasabb rendű módokhoz képest azonban az alapvető transzverzális módus (TEM00 mód) nagy fényerővel, kis eltérési szöggel, egyenletes sugárirányú fényintenzitás-eloszlással és egyetlen rezgési frekvenciával rendelkezik. Ez rendelkezik a legjobb térbeli és időbeli interferenciával. Ezért az egyetlen alapvető transzverzális üzemmódú lézer ideális koherens fényforrás, ami nagyon fontos olyan alkalmazásokhoz, mint a lézeres interferometria, spektrális elemzés és lézerfeldolgozás. E feltételek teljesítése érdekében intézkedéseket kell hozni a lézeroszcilláció korlátozására, hogy elnyomják a legtöbb rezonanciafrekvenciát a többmódusú lézerekben, és üzemmódválasztó technológiát kell alkalmazni az egymódusú egyfrekvenciás lézerkimenet eléréséhez.
A módválasztás kétféleképpen oszlik meg: az egyik a lézer longitudinális üzemmódjának kiválasztása; a másik a lézer transzverzális mód kiválasztása. Az előbbi nagyobb hatással van a lézer kimeneti frekvenciájára, és nagymértékben javíthatja a lézer koherenciáját; ez utóbbi elsősorban a lézerkibocsátás fényintenzitásának egyenletességét befolyásolja, és javítja a lézer fényerejét.
1)Longitudinális mód kiválasztása: A sugár monokromatikusságának és koherenciahosszának javítása érdekében a lézernek egyetlen longitudinális üzemmódban kell működnie. Sok lézer azonban gyakran több hosszirányú rezgésmóddal is rendelkezik, amelyek egyidejűleg rezegnek. Ezért egyetlen longitudinális üzemmódú lézer tervezéséhez frekvenciaválasztási módszert kell alkalmazni. A gyakori módszerek a következők: rövid üreges módszer, Fabry-Ploy etalon módszer, három tükör módszer stb.
2)Transzverzális mód kiválasztása: A lézeres oszcilláció feltétele, hogy az erősítési együttható nagyobb legyen, mint a veszteségi együttható. A veszteségeket fel lehet osztani a keresztirányú módusrendhez kapcsolódó vonali emissziós veszteségekre és az oszcillációs módtól független egyéb veszteségekre. Az alapvető transzverzális módus kiválasztásának lényege, hogy a TEM{0}} módus elérje az oszcillációs feltételeket, és elnyomja a magasabb rendű transzverzális módusok rezgését. Ezért csak az egyes nagyrendű üzemmódok vonalkibocsátási veszteségét kell szabályoznunk, hogy elérjük a keresztirányú módok kiválasztásának célját. Általánosságban elmondható, hogy mindaddig, amíg a TEM01 üzemmód és a TEM10 módusú, az alapvető transzverzális módusnál egy renddel magasabb rezgések elnyomhatók, addig a többi magasabb rendű módus rezgései is elnyomhatók. A gyakori módszerek a következők: apertúra-módszer, fókuszáló rekesz-módszer és intra-üreges teleszkóp-módszer, konkáv-konvex üreg, Q-kapcsolt mód kiválasztása stb.
2. Frekvencia stabilizálás:
Miután a lézer egyfrekvenciás oszcillációt kap az üzemmódválasztás révén, a rezonanciafrekvencia továbbra is a teljes lineáris szélességen belül mozog a belső és külső körülmények változása miatt. Ezt a jelenséget "frekvencia-sodródásnak" nevezik. A drift megléte miatt felmerül a lézerfrekvencia-stabilitás problémája. A frekvenciastabilizálás célja, hogy megpróbálja szabályozni ezeket a szabályozható tényezőket, hogy minimalizálja a rezgési frekvenciával való interferenciát, ezáltal javítva a lézerfrekvencia stabilitását.
A frekvenciastabilitás két szempontot foglal magában: a frekvenciastabilitást és a frekvencia reprodukálhatóságát. A frekvenciastabilitás a lézer frekvencia-eltolódásának és az oszcillációs frekvenciához viszonyított arányát jelenti egy folyamatos munkaidőn belül. Minél kisebb az arány, annál nagyobb a frekvenciastabilitás. A frekvenciareprodukció a frekvencia relatív változása, amikor a lézert különböző környezetekben használják. A frekvenciastabilizáló módszerek két típusra oszthatók: passzív és aktív. A specifikus frekvenciastabilizációs módszerek közé tartoznak a következők: Lamb sag módszer és telítési abszorpciós módszer.
3. Q-kapcsolás:
Általában a szilárdtest-impulzuslézerek által kibocsátott fényimpulzusok nem egyetlen sima impulzusok, hanem kis csúcsimpulzusok sorozata, amelyek intenzitása és szélessége a mikroszekundumos tartományban változik. Ez a fényimpulzus-sorozat több száz mikro- vagy akár ezredmásodpercig tart, csúcsteljesítménye pedig mindössze több tíz kilowatt, ami messze nem felel meg az olyan gyakorlati alkalmazások igényeinek, mint a lézerradar és a lézeres hatótávolság. Emiatt egyesek a Q-kapcsolás koncepcióját javasolták, amely több nagyságrenddel javította a lézerimpulzusok kimeneti teljesítményét, az impulzusszélességet nanoszekundumos szintre sűrítette, a csúcsteljesítmény pedig eléri a gigawattot.
A Q a lézerrezonáns üreg minőségi tényezője. A konkrét képlet: Q=2T"A rezonáns üregben tárolt energia/Oszcillációs ciklusonként elveszett energia.
Jelenleg a lézeres oszcillációs Q-kapcsolás elve: egy bizonyos módszerrel a rezonáns üreget nagy veszteségű és alacsony Q értékű állapotba állítják a szivattyúzás kezdetén. Az oszcilláció küszöbe nagyon magas, és még ha a részecskesűrűség inverziós száma nagyon magasra halmozódik is fel, az nem fog rezgést kiváltani; amikor a részecske inverziós száma eléri a csúcsértéket, az üreg Q értéke hirtelen megemelkedik, ami azt eredményezi, hogy a lézerközeg erősítése nagymértékben meghaladja a küszöbértéket, és rendkívül gyorsan fellép az oszcilláció. Ekkor a metastabil állapotban tárolt részecskék energiája gyorsan átalakul fotonok energiájává, és a fotonok rendkívül nagy sebességgel növekednek. A lézer nagy csúcsteljesítményű és keskeny szélességű lézerimpulzust tud kiadni.
Mivel a rezonáns üreg vesztesége magában foglalja a reflexiós veszteséget, az abszorpciós veszteséget, a sugárzási veszteséget, a szórási veszteséget és az átviteli veszteséget, különböző módszereket alkalmaznak a különböző típusú veszteségek szabályozására, hogy különböző Q-kapcsolási technológiákat hozzanak létre. Jelenleg a gyakori Q-kapcsolási technológiák a következők: akusztikus-optikai Q-kapcsolás, elektro-optikai Q-kapcsolás és festék-Q-kapcsolás.
4. Üzemmód zárolása:
A Q-kapcsolás képes tömöríteni a lézerimpulzus-szélességet, és mikroszekundum nagyságrendű impulzusszélességű és gigawatt nagyságrendű csúcsteljesítményű lézerimpulzusokat kapni. A módrögzítő technológia egy olyan technológia, amely speciális módon tovább modulálja a lézert, rögzítve kényszerítve a lézerben rezgő különböző longitudinális módusok fázisait, így az egyes üzemmódok koherensen egymásra illeszthetők ultrarövid impulzusok előállítására. A módrögzítési technológia segítségével ultrarövid lézerimpulzusok érhetők el femtoszekundum nagyságrendű impulzusszélességgel és T wattnál nagyobb csúcsteljesítménnyel. A módrögzítési technológia a lézerenergiát időben erősen koncentrálttá teszi, és jelenleg a legfejlettebb technológia a nagy csúcsteljesítményű lézerek előállítására.
Üzemmód-rögzítési elv: Általában a nem egyenletesen szélesített lézerek mindig több hosszirányú üzemmódot hoznak létre. Mivel az egyes módok frekvenciája és kezdeti fázisa között nincs határozott kapcsolat, az egyes módok egymással inkoherensek, így a több longitudinális módus által kiadott fényintenzitás az egyes longitudinális módok inkoherens összeadása. A kimenő fény intenzitása az idő múlásával szabálytalanul ingadozik. Az üzemmódrögzítés lehetővé teszi, hogy a rezonáns üregben előforduló több longitudinális módus szinkronban oszcilláljon, az egyes rezgésmódok frekvenciaintervallumát egyenlően tartja, kezdeti fázisaikat pedig állandóan tartja, így a lézer egy rövid impulzussorozatot ad ki szabályos és egyenlő időközökkel.
Az üzemmód zárolási technológiája aktív módú zárolásra és passzív módú zárolásra oszlik. Aktív mód reteszelés: helyezzen be egy modulátort v=c/2L modulációs frekvenciájú a rezonanciaüregbe, hogy modulálja a lézerkimenet amplitúdóját és fázisát az egyes longitudinális módok szinkron rezgésének elérése érdekében. Passzív módú zárolás: helyezzen be egy telített abszorpciós jellemzőkkel rendelkező festékdobozt a lézerüregbe. A telíthető abszorpciós jellemzőkkel rendelkező festékdoboz abszorpciós együtthatója a fényintenzitás növekedésével csökken. A lézerben, ahogy az optikai pumpa gerjeszti a munkaanyagot, az egyes longitudinális módok véletlenszerűen lépnek fel, és ezek szuperpozíciója miatt a fénymező intenzitása ingadozik. Ha egyes longitudinális módokat véletlenül koherensen felerősítünk, akkor erősebb fényintenzitású részek jelennek meg, míg más részek gyengébbek. Ezeket az erősebb részeket kevésbé szívja fel a festék, és a veszteség nem nagy. A gyengébb részeket jobban felszívja a festék, és gyengülnek. A festéken sokszor áthaladó fénymező eredményeként egyértelműen megkülönböztethető az erős és a gyenge rész, végül ezek a longitudinális módusú koherens fokozó részek keskeny impulzusok formájában kerülnek kiválasztásra. A passzív módú zárolás bizonyos követelményeket támaszt a festékdoboz optikai tulajdonságaival kapcsolatban: a festék abszorpciós vonalának nagyon közel kell lennie a lézer hullámhosszához; az abszorpciós vonal vonalszélességének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie, mint a lézervonal szélessége; és a relaxációs időnek rövidebbnek kell lennie, mint az az idő, amely alatt a pulzus ide-oda utazik az üregben.
