Essas quatro tecnologias são discutidas juntas porque todas afetam diretamente as características de saída da ressonância a 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 de intensidade de luz radial e frequência de oscilação única, e 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 o modo de 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, e 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.
Seleção de modo longitudinal: Para melhorar a monocromaticidade e o comprimento de coerência do feixe de luz, é necessário fazer o laser funcionar em um modo longitudinal único. No entanto, muitos lasers geralmente têm vários modos longitudinais oscilando ao mesmo tempo. Portanto, para projetar um laser de modo longitudinal único, um método de seleção de frequência deve ser usado. Os métodos comuns incluem: método de cavidade curta, método etalon de Fabry-Pulloff, método de três refletores, 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. A perda pode ser dividida em perda de difração relacionada à ordem do modo transversal e outras perdas não relacionadas ao modo de oscilação. A essência da seleção do modo transversal fundamental é fazer com que o modo TEM00 atinja a condição de oscilação, enquanto a oscilação do modo transversal de ordem superior é suprimida. Portanto, o propósito de selecionar o modo transversal pode ser alcançado simplesmente controlando a perda de transmissão de cada modo de ordem superior. 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, a oscilação de outros modos de ordem superior pode ser suprimida. Os métodos comuns incluem: método de abertura, método de abertura de foco e cavidade côncava-convexa, seleção de modo usando Q-switching, etc. Método de telescópio intracavitário,
2. Estabilização de frequência:
Após o laser obter oscilação de frequência única por meio da seleção de modo, devido a mudanças nas condições internas e externas, a frequência ressonante ainda se moverá dentro de toda a largura linear. 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 durante o tempo de trabalho subcontínuo. Quanto menor a razão, maior a estabilidade de frequência. A reprodutibilidade 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 tipos passivos e ativos. Os métodos específicos de estabilização de frequência são: 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 diferentes intensidades no nível de microssegundos. Essa sequência de pulsos de luz dura centenas de microssegundos ou mesmo alguns décimos de segundo, 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 se refere ao fator de qualidade da cavidade ressonante do laser. A fórmula específica é Q=2n*energia armazenada na cavidade ressonante/energia perdida por ciclo de oscilação.
Princípio de comutação Q: Um certo método é usado para fazer a cavidade ressonante em um estado de alta perda e baixo valor Q no início do bombeamento. Neste momento, o limite de oscilação do laser 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 produza oscilações extremamente rápidas. Neste momento, a energia das partículas armazenadas no estado metaestável será rapidamente convertida na energia dos fótons. Os fótons aumentam a uma taxa extremamente alta, e 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 difração, 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 para 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 a fase de cada modo longitudinal oscilando no laser a ser fixo, de modo que cada modo seja coerentemente sobreposto para obter um pulso ultracurto. 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: Em geral, lasers não uniformemente alargados sempre produzem múltiplos modos longitudinais. Como não há relação definida entre a frequência e a fase inicial de cada modo, os modos são incoerentes 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 de forma síncrona, 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.
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 >= a largura da linha do laser; o tempo de relaxamento deve ser menor que o tempo que o pulso leva para viajar para frente e para trás uma vez.
