Essas quatro tecnologias são discutidas juntas porque todas afetam diretamente as características de saída da cavidade ressonante do laser.
1. Seleção de modo:
A seleção de modo é, na verdade, seleção de frequência. A maioria dos lasers usa cavidades ressonantes mais longas para obter maior energia de saída, o que torna a saída do laser multimodo. No entanto, comparado com modos de ordem superior, o modo transversal fundamental (modo TEM00) tem as características de alto brilho, pequeno ângulo de divergência, distribuição uniforme da intensidade da luz radial e frequência de oscilação única. Ele tem a melhor interferência espacial e temporal. Portanto, um único laser de modo transversal fundamental é uma fonte de luz coerente ideal, o que é muito importante para aplicações como interferometria a laser, análise espectral e processamento a laser. Para atender a essas condições, medidas para limitar a oscilação do laser devem ser adotadas para suprimir a operação da maioria das frequências ressonantes em lasers multimodo e usar a tecnologia de seleção de modo para obter saída de laser de frequência única de modo único.
A seleção do modo é dividida em duas maneiras: uma é a seleção do modo longitudinal do laser; a outra é a seleção do modo transversal do laser. O primeiro tem um impacto maior na frequência de saída do laser e pode melhorar muito a coerência do laser; o último afeta principalmente a uniformidade da intensidade da luz da saída do laser e melhora o brilho do laser.
1)Seleção de modo longitudinal: Para melhorar a monocromaticidade e o comprimento de coerência do feixe, o laser precisa trabalhar em um único modo longitudinal. No entanto, muitos lasers geralmente têm vários modos longitudinais oscilando ao mesmo tempo. Portanto, para projetar um único laser de modo longitudinal, um método de seleção de frequência deve ser usado. Os métodos comuns incluem: método de cavidade curta, método Fabry-Ploy etalon, método de três espelhos, etc.
2)Seleção do modo transversal: A condição para a oscilação do laser é que o coeficiente de ganho deve ser maior que o coeficiente de perda. As perdas podem ser divididas em perdas de emissão de linha relacionadas à ordem do modo transversal e outras perdas independentes do modo de oscilação. A essência da seleção do modo transversal fundamental é fazer com que o modo TEM00 atinja as condições de oscilação e suprima a oscilação dos modos transversais de ordem superior. Portanto, precisamos apenas controlar a perda de emissão de linha de cada modo de ordem superior para atingir o propósito de selecionar os modos transversais. Em termos gerais, desde que as oscilações do modo TEM01 e do modo TEM10 que são uma ordem superior ao modo transversal fundamental possam ser suprimidas, as oscilações de outros modos de ordem superior podem ser suprimidas. Os métodos comuns incluem: método de abertura, método de abertura de foco e método de telescópio intracavidade, cavidade côncava-convexa, usando seleção de modo Q-switched, etc.
2. Estabilização de frequência:
Após o laser obter oscilação de frequência única por meio da seleção de modo, a frequência ressonante ainda se moverá dentro de toda a largura linear devido a mudanças nas condições internas e externas. Esse fenômeno é chamado de "desvio de frequência". Devido à existência de desvio, surge o problema da estabilidade da frequência do laser. O objetivo da estabilização da frequência é tentar controlar esses fatores controláveis para minimizar sua interferência com a frequência de oscilação, melhorando assim a estabilidade da frequência do laser.
A estabilidade de frequência inclui dois aspectos: estabilidade de frequência e reprodutibilidade de frequência. A estabilidade de frequência se refere à razão entre a deriva de frequência do laser e a frequência de oscilação dentro de um tempo de trabalho contínuo. Quanto menor a razão, maior a estabilidade de frequência. A reprodução de frequência é a mudança relativa na frequência quando o laser é usado em diferentes ambientes. Os métodos de estabilização de frequência são divididos em dois tipos: passivo e ativo. Os métodos específicos de estabilização de frequência incluem: método de afundamento de Lamb e método de absorção de saturação.
3. Comutação Q:
Geralmente, os pulsos de luz emitidos por lasers de pulso de estado sólido não são pulsos suaves únicos, mas uma sequência de pequenos pulsos de pico com intensidades e larguras variadas na faixa de microssegundos. Essa sequência de pulsos de luz dura centenas de microssegundos ou mesmo milissegundos, e sua potência de pico é de apenas dezenas de quilowatts, o que está longe de atender às necessidades de aplicações práticas, como radar a laser e alcance a laser. Por esse motivo, algumas pessoas propuseram o conceito de Q-switching, que melhorou o desempenho de saída dos pulsos de laser em várias ordens de magnitude, comprimiu a largura do pulso para o nível de nanossegundos e a potência de pico é tão alta quanto gigawatts.
Q refere-se ao fator de qualidade da cavidade ressonante do laser. A fórmula específica é Q=2T"Energia armazenada na cavidade ressonante/Energia perdida por ciclo de oscilação.
Neste momento, o princípio da oscilação do laser Q-switching: um certo método é usado para fazer a cavidade ressonante em um estado de alta perda e baixo valor Q no início do bombeamento. O limite de oscilação é muito alto, e mesmo que o número de inversão da densidade de partículas se acumule em um nível muito alto, ele não produzirá oscilação; quando o número de inversão de partículas atinge o valor de pico, o valor Q da cavidade é repentinamente aumentado, o que fará com que o ganho do meio laser exceda muito o limite, e a oscilação ocorrerá extremamente rápido. Neste momento, a energia das partículas armazenadas no estado metaestável será rapidamente convertida na energia dos fótons, e os fótons aumentarão a uma taxa extremamente alta. O laser pode emitir um pulso de laser com alta potência de pico e largura estreita.
Como a perda da cavidade ressonante inclui perda de reflexão, perda de absorção, perda de radiação, perda de espalhamento e perda de transmissão, diferentes métodos são usados para controlar diferentes tipos de perdas para formar diferentes tecnologias de Q-switching. Atualmente, as tecnologias comuns de Q-switching são: Q-switching acústico-óptico, Q-switching eletro-óptico e Q-switching de corante.
4. Bloqueio de modo:
Q-switching pode comprimir a largura do pulso do laser e obter pulsos de laser com uma largura de pulso da ordem de microssegundos e uma potência de pico da ordem de gigawatts. A tecnologia de bloqueio de modo é uma tecnologia que modula ainda mais o laser de uma maneira especial, forçando as fases dos vários modos longitudinais oscilantes no laser a serem fixos, de modo que cada modo possa ser coerentemente sobreposto para obter pulsos ultracurtos. Usando a tecnologia de bloqueio de modo, pulsos de laser ultracurtos com uma largura de pulso da ordem de femtossegundos e uma potência de pico maior do que a ordem de T watts podem ser obtidos. A tecnologia de bloqueio de modo torna a energia do laser altamente concentrada no tempo e é atualmente a tecnologia mais avançada para obter lasers de alta potência de pico.
Princípio de bloqueio de modo: Geralmente, lasers não uniformemente alargados sempre produzem múltiplos modos longitudinais. Como não há relação definida entre a frequência e a fase inicial de cada modo, cada modo é incoerente entre si, então a intensidade da luz emitida por múltiplos modos longitudinais é a adição incoerente de cada modo longitudinal. A intensidade da luz emitida flutua irregularmente ao longo do tempo. O bloqueio de modo permite que múltiplos modos longitudinais que podem existir na cavidade ressonante oscilem sincronizadamente, mantém os intervalos de frequência de cada modo de oscilação iguais e mantém suas fases iniciais constantes, de modo que o laser emita uma sequência de pulsos curtos com intervalos regulares e iguais no tempo.
A tecnologia de bloqueio de modo é dividida em bloqueio de modo ativo e bloqueio de modo passivo. Bloqueio de modo ativo: insira um modulador com uma frequência de modulação v=c/2L na cavidade ressonante para modular a amplitude e a fase da saída do laser para obter vibração síncrona de cada modo longitudinal. Bloqueio de modo passivo: insira uma caixa de corante com características de absorção saturada na cavidade do laser. O coeficiente de absorção da caixa de corante com características de absorção saturáveis diminuirá com o aumento da intensidade da luz. No laser, conforme a bomba óptica excita o material de trabalho, cada modo longitudinal ocorrerá aleatoriamente, e o campo de luz flutuará em intensidade devido à sua superposição. Quando alguns modos longitudinais são coerentemente aprimorados por acaso, partes com intensidade de luz mais forte aparecem, enquanto outras partes são mais fracas. Essas partes mais fortes são menos absorvidas pelo corante e a perda não é grande. As partes mais fracas são mais absorvidas pelo corante e se tornam mais fracas. Como resultado do campo de luz passar pelo corante muitas vezes, as partes fortes e fracas são claramente distinguidas e, finalmente, essas partes de aprimoramento coerente do modo longitudinal são selecionadas na forma de pulsos estreitos. O bloqueio do modo passivo tem certos requisitos nas propriedades ópticas da caixa de corante: a linha de absorção do corante deve estar muito próxima do comprimento de onda do laser; a largura da linha da linha de absorção deve ser maior ou igual à largura da linha do laser; e o tempo de relaxamento deve ser menor do que o tempo que o pulso leva para viajar para frente e para trás na cavidade.
