Queste quattro tecnologie vengono esaminate insieme perché influenzano tutte direttamente le caratteristiche di uscita della risonanza laser.
1. Selezione della modalità:
La selezione della modalità è in realtà una selezione della frequenza. La maggior parte dei laser utilizza cavità risonanti più lunghe per ottenere una maggiore energia di uscita, il che rende l'uscita laser multimodale. Tuttavia, rispetto alle modalità di ordine superiore, la modalità trasversale fondamentale (modalità TEM00) ha le caratteristiche di elevata luminosità, piccolo angolo di divergenza, distribuzione uniforme dell'intensità della luce radiale e singola frequenza di oscillazione, e ha la migliore interferenza spaziale e temporale. Pertanto, un singolo laser a modalità trasversale fondamentale è una sorgente di luce coerente ideale, il che è molto importante per applicazioni come l'interferometria laser, l'analisi spettrale e l'elaborazione laser. Per soddisfare queste condizioni, devono essere adottate misure per limitare la modalità di oscillazione laser per sopprimere il funzionamento della maggior parte delle frequenze risonanti nei laser multimodali e utilizzare la tecnologia di selezione della modalità per ottenere un'uscita laser monomodale a frequenza singola.
La selezione della modalità è divisa in due modi: uno è la selezione della modalità longitudinale del laser e l'altro è la selezione della modalità trasversale del laser. Il primo ha un impatto maggiore sulla frequenza di uscita del laser e può migliorare notevolmente la coerenza del laser: il secondo influisce principalmente sull'uniformità dell'intensità luminosa dell'uscita laser e migliora la luminosità del laser.
Selezione della modalità longitudinale: per migliorare la monocromaticità e la lunghezza di coerenza del fascio luminoso, è necessario far funzionare il laser in una modalità longitudinale singola. Tuttavia, molti laser hanno spesso diverse modalità longitudinali che oscillano contemporaneamente. Pertanto, per progettare un laser a modalità longitudinale singola, è necessario utilizzare un metodo di selezione della frequenza. I metodi comuni includono: metodo della cavità corta, metodo etalon Fabry-Pulloff, metodo a tre riflettori, ecc.
2) Selezione della modalità trasversale: la condizione per l'oscillazione laser è che il coefficiente di guadagno deve essere maggiore del coefficiente di perdita. La perdita può essere divisa in perdita di diffrazione correlata all'ordine della modalità trasversale e altre perdite non correlate alla modalità di oscillazione. L'essenza della selezione della modalità trasversale fondamentale è di far sì che la modalità TEM00 raggiunga la condizione di oscillazione, mentre l'oscillazione della modalità trasversale di ordine superiore viene soppressa. Pertanto, lo scopo della selezione della modalità trasversale può essere raggiunto semplicemente controllando la perdita di trasmissione di ciascuna modalità di ordine superiore. In generale, finché le oscillazioni della modalità TEM01 e TEM10 che sono di un ordine superiore alla modalità trasversale fondamentale possono essere soppresse, l'oscillazione di altre modalità di ordine superiore può essere soppressa. I metodi comuni includono: metodo di apertura, metodo di apertura di messa a fuoco e cavità concavo-convessa, selezione della modalità mediante Q-switching, ecc. Metodo del telescopio intracavità,
2. Stabilizzazione della frequenza:
Dopo che il laser ottiene l'oscillazione a frequenza singola tramite la selezione della modalità, a causa di cambiamenti nelle condizioni interne ed esterne, la frequenza di risonanza si muoverà ancora all'interno dell'intera larghezza lineare. Questo fenomeno è chiamato "deriva di frequenza". A causa dell'esistenza della deriva, sorge il problema della stabilità della frequenza laser. Lo scopo della stabilizzazione della frequenza è cercare di controllare questi fattori controllabili per ridurre al minimo la loro interferenza con la frequenza di oscillazione, migliorando così la stabilità della frequenza laser.
La stabilità di frequenza include due aspetti: stabilità di frequenza e riproducibilità di frequenza. La stabilità di frequenza si riferisce al rapporto tra la deriva di frequenza del laser e la frequenza di oscillazione durante il tempo di lavoro sub-continuo. Minore è il rapporto, maggiore è la stabilità di frequenza. La riproducibilità di frequenza è la variazione relativa della frequenza quando il laser viene utilizzato in ambienti diversi. I metodi di stabilizzazione di frequenza sono divisi in tipi passivi e attivi. I metodi specifici di stabilizzazione di frequenza sono: metodo Lamb sag e metodo di assorbimento di saturazione.
3. Commutazione Q:
In genere, gli impulsi luminosi emessi dai laser a impulsi a stato solido non sono singoli impulsi uniformi, ma una sequenza di piccoli impulsi di picco con diverse intensità a livello di microsecondi. Questa sequenza di impulsi luminosi dura centinaia di microsecondi o persino pochi decimi di secondo e la sua potenza di picco è di sole decine di kilowatt, il che è ben lungi dal soddisfare le esigenze di applicazioni pratiche come il radar laser e la telemetria laser. Per questo motivo, alcune persone hanno proposto il concetto di Q-switching, che ha migliorato le prestazioni di uscita degli impulsi laser di diversi ordini di grandezza, ha compresso la larghezza dell'impulso a livello di nanosecondi e la potenza di picco è pari a gigawatt.
Q si riferisce al fattore di qualità della cavità risonante laser. La formula specifica è Q=2n*energia immagazzinata nella cavità risonante/energia persa per ciclo di oscillazione.
Principio di commutazione Q: viene utilizzato un certo metodo per rendere la cavità risonante in uno stato di alta perdita e basso valore Q all'inizio del pompaggio. In questo momento, la soglia di oscillazione laser è molto alta e anche se il numero di inversione della densità delle particelle si accumula a un livello molto alto, non produrrà oscillazione: quando il numero di inversione delle particelle raggiunge il valore di picco, il valore Q della cavità aumenta improvvisamente, il che causerà il guadagno del mezzo laser per superare notevolmente la soglia e produrre oscillazioni estremamente rapidamente. In questo momento, l'energia delle particelle immagazzinate nello stato metastabile verrà rapidamente convertita nell'energia dei fotoni. I fotoni aumentano a una velocità estremamente elevata e il laser può emettere un impulso laser con elevata potenza di picco e larghezza ridotta.
Poiché la perdita della cavità risonante include perdita di riflessione, perdita di assorbimento, perdita di diffrazione, perdita di diffusione e perdita di trasmissione, vengono utilizzati metodi diversi per controllare diversi tipi di perdite per formare diverse tecnologie di commutazione Q. Attualmente, le tecnologie di commutazione Q comuni sono: commutazione Q acusto-ottica, commutazione Q elettro-ottica e commutazione Q a colorante.
4. Blocco della modalità:
Il Q-switching può comprimere la larghezza dell'impulso laser per ottenere impulsi laser con una larghezza dell'impulso dell'ordine dei microsecondi e una potenza di picco dell'ordine dei gigawatt. La tecnologia di blocco di modalità è una tecnologia che modula ulteriormente il laser in un modo speciale, forzando la fase di ogni modo longitudinale che oscilla nel laser a essere fissa, in modo che ogni modo sia sovrapposto in modo coerente per ottenere un impulso ultrabreve. Utilizzando la tecnologia di blocco di modalità, è possibile ottenere impulsi laser ultrabrevi con una larghezza dell'impulso dell'ordine dei femtosecondi e una potenza di picco superiore all'ordine dei T watt. La tecnologia di blocco di modalità rende l'energia laser altamente concentrata nel tempo ed è attualmente la tecnologia più avanzata per ottenere laser ad alta potenza di picco.
Principio di mode-locking: in generale, i laser non uniformemente allargati producono sempre più modalità longitudinali. Poiché non esiste una relazione definita tra la frequenza e la fase iniziale di ciascuna modalità, le modalità sono incoerenti tra loro, quindi l'intensità luminosa in uscita da più modalità longitudinali è l'aggiunta incoerente di ciascuna modalità longitudinale. L'intensità luminosa in uscita fluttua irregolarmente nel tempo. Il mode locking consente a più modalità longitudinali che possono esistere nella cavità risonante di oscillare in modo sincrono, mantiene uguali gli intervalli di frequenza di ciascuna modalità di oscillazione e mantiene costanti le loro fasi iniziali, in modo che il laser emetta una breve sequenza di impulsi con intervalli regolari e uguali nel tempo.
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 >= la larghezza della linea laser; il tempo di rilassamento deve essere inferiore al tempo impiegato dall'impulso per viaggiare avanti e indietro una volta.
