Queste quattro tecnologie vengono esaminate insieme perché influiscono tutte direttamente sulle caratteristiche di uscita della cavità risonante 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 frequenza di oscillazione singola. 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, è necessario adottare misure per limitare l'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; 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.
1)Selezione della modalità longitudinale: per migliorare la monocromaticità e la lunghezza di coerenza del raggio, il laser deve funzionare in una singola modalità longitudinale. Tuttavia, molti laser hanno spesso diverse modalità longitudinali che oscillano contemporaneamente. Pertanto, per progettare un laser a singola modalità longitudinale, è necessario utilizzare un metodo di selezione della frequenza. I metodi comuni includono: metodo della cavità corta, metodo etalon Fabry-Ploy, metodo a tre specchi, 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. Le perdite possono essere divise in perdite di emissione lineare relative all'ordine della modalità trasversale e altre perdite indipendenti dalla modalità di oscillazione. L'essenza della selezione della modalità trasversale fondamentale è di far sì che la modalità TEM00 raggiunga le condizioni di oscillazione e sopprima l'oscillazione delle modalità trasversali di ordine superiore. Pertanto, abbiamo solo bisogno di controllare la perdita di emissione lineare di ciascuna modalità di ordine superiore per raggiungere lo scopo della selezione delle modalità trasversali. In generale, finché le oscillazioni della modalità TEM01 e TEM10 che sono di un ordine superiore alla modalità trasversale fondamentale possono essere soppresse, le oscillazioni delle altre modalità di ordine superiore possono essere soppresse. I metodi comuni includono: metodo di apertura, metodo di apertura di messa a fuoco e metodo del telescopio intra-cavità, cavità concavo-convessa, utilizzando la selezione della modalità Q-switched, ecc.
2. Stabilizzazione della frequenza:
Dopo che il laser ottiene l'oscillazione a frequenza singola tramite la selezione della modalità, la frequenza di risonanza si muoverà comunque all'interno dell'intera larghezza lineare a causa di cambiamenti nelle condizioni interne ed esterne. 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 entro un tempo di lavoro continuo. Minore è il rapporto, maggiore è la stabilità di frequenza. La riproduzione di frequenza è la variazione relativa di frequenza quando il laser viene utilizzato in ambienti diversi. I metodi di stabilizzazione di frequenza sono divisi in due tipi: passivo e attivo. I metodi specifici di stabilizzazione di frequenza includono: 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 intensità e larghezze variabili nell'intervallo dei microsecondi. Questa sequenza di impulsi luminosi dura centinaia di microsecondi o addirittura millisecondi 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 misurazione della distanza 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 al livello del nanosecondo 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=2T"Energia immagazzinata nella cavità risonante/Energia persa per ciclo di oscillazione.
In questo momento, il principio di oscillazione laser Q-switching: un certo metodo viene utilizzato per rendere la cavità risonante in uno stato di alta perdita e basso valore Q all'inizio del pompaggio. La soglia di oscillazione 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 l'oscillazione si verificherà estremamente rapidamente. In questo momento, l'energia delle particelle immagazzinate nello stato metastabile verrà rapidamente convertita nell'energia dei fotoni e i fotoni aumenteranno a una velocità estremamente elevata. 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 radiazione, 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 e 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 le fasi delle varie modalità longitudinali oscillanti nel laser a essere fisse, in modo che ciascuna modalità possa essere sovrapposta in modo coerente per ottenere impulsi ultracorti. Utilizzando la tecnologia di blocco di modalità, è possibile ottenere impulsi laser ultracorti 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 blocco della modalità: in genere, 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, ciascuna modalità è incoerente 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 blocco della modalità 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.
La tecnologia di bloccaggio della modalità è divisa in bloccaggio della modalità attiva e bloccaggio della modalità passiva. Bloccaggio della modalità attiva: inserire un modulatore con una frequenza di modulazione v=c/2L nella cavità risonante per modulare l'ampiezza e la fase dell'uscita laser per ottenere la vibrazione sincrona di ciascuna modalità longitudinale. Bloccaggio della modalità passiva: inserire una scatola di coloranti con caratteristiche di assorbimento saturate nella cavità laser. Il coefficiente di assorbimento della scatola di coloranti con caratteristiche di assorbimento saturabili diminuirà con l'aumento dell'intensità della luce. Nel laser, poiché la pompa ottica eccita il materiale di lavoro, ciascuna modalità longitudinale si verificherà in modo casuale e il campo luminoso fluttuerà in intensità a causa della loro sovrapposizione. Quando alcune modalità longitudinali vengono potenziate in modo coerente per caso, compaiono parti con un'intensità luminosa più forte, mentre altre parti sono più deboli. Queste parti più forti vengono assorbite meno dalla tintura e la perdita non è grande. Le parti più deboli vengono assorbite di più dalla tintura e diventano più deboli. Come risultato del campo luminoso che attraversa il colorante molte volte, le parti forti e deboli vengono chiaramente distinte e infine queste parti di potenziamento coerente della modalità longitudinale vengono selezionate sotto forma di impulsi stretti. Il bloccaggio della modalità passiva ha determinati requisiti sulle proprietà ottiche della scatola del colorante: la linea di assorbimento del colorante deve essere molto vicina alla lunghezza d'onda laser; la larghezza della linea di assorbimento deve essere maggiore o uguale alla larghezza della linea laser; e il tempo di rilassamento deve essere più breve del tempo impiegato dall'impulso per viaggiare avanti e indietro nella cavità.
