Bốn công nghệ này được thảo luận cùng nhau vì tất cả chúng đều ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính đầu ra của cộng hưởng laser.
1. Lựa chọn chế độ:
Lựa chọn chế độ thực chất là lựa chọn tần số. Hầu hết các laser sử dụng các khoang cộng hưởng dài hơn để có được năng lượng đầu ra lớn hơn, khiến đầu ra laser trở thành đa chế độ. Tuy nhiên, so với các chế độ bậc cao hơn, chế độ ngang cơ bản (chế độ TEM00) có các đặc điểm là độ sáng cao, góc phân kỳ nhỏ, phân bố cường độ ánh sáng xuyên tâm đồng đều và tần số dao động đơn, đồng thời có nhiễu không gian và thời gian tốt nhất. Do đó, một laser chế độ ngang cơ bản đơn là nguồn sáng kết hợp lý tưởng, rất quan trọng đối với các ứng dụng như giao thoa kế laser, phân tích quang phổ và xử lý laser. Để đáp ứng các điều kiện này, phải áp dụng các biện pháp hạn chế chế độ dao động laser để ngăn chặn hoạt động của hầu hết các tần số cộng hưởng trong laser đa chế độ và sử dụng công nghệ lựa chọn chế độ để có được đầu ra laser tần số đơn chế độ.
Lựa chọn chế độ được chia thành hai cách: một là lựa chọn chế độ dọc laser, và hai là lựa chọn chế độ ngang laser. Cách thứ nhất có tác động lớn hơn đến tần số đầu ra của laser và có thể cải thiện đáng kể tính nhất quán của laser: cách thứ hai chủ yếu ảnh hưởng đến tính đồng đều của cường độ ánh sáng của đầu ra laser và cải thiện độ sáng của laser.
Lựa chọn chế độ dọc: Để cải thiện tính đơn sắc và độ dài kết hợp của chùm sáng, cần phải làm cho laser hoạt động ở chế độ đơn dọc. Tuy nhiên, nhiều laser thường có nhiều chế độ dọc dao động cùng một lúc. Do đó, để thiết kế laser chế độ đơn dọc, phải sử dụng phương pháp lựa chọn tần số. Các phương pháp phổ biến bao gồm: phương pháp khoang ngắn, phương pháp Fabry-Pulloff etalon, phương pháp ba phản xạ, v.v.
2) Lựa chọn chế độ ngang: Điều kiện để dao động laser là hệ số khuếch đại phải lớn hơn hệ số mất mát. Mất mát có thể được chia thành mất mát nhiễu xạ liên quan đến bậc chế độ ngang và các mất mát khác không liên quan đến chế độ dao động. Bản chất của việc lựa chọn chế độ ngang cơ bản là làm cho chế độ TEM00 đạt đến điều kiện dao động, trong khi dao động của chế độ ngang bậc cao hơn bị triệt tiêu. Do đó, mục đích của việc lựa chọn chế độ ngang có thể đạt được chỉ bằng cách kiểm soát mất mát truyền của từng chế độ bậc cao hơn. Nói chung, miễn là dao động chế độ TEM01 và chế độ TEM10 cao hơn một bậc so với chế độ ngang cơ bản có thể bị triệt tiêu, thì dao động của các chế độ bậc cao khác có thể bị triệt tiêu. Các phương pháp phổ biến bao gồm: phương pháp khẩu độ, phương pháp khẩu độ hội tụ và khoang lõm-lồi, lựa chọn chế độ bằng cách sử dụng Q-switching, v.v. Phương pháp kính thiên văn trong khoang,
2. Ổn định tần số:
Sau khi laser đạt được dao động tần số đơn thông qua lựa chọn chế độ, do những thay đổi trong điều kiện bên trong và bên ngoài, tần số cộng hưởng vẫn sẽ di chuyển trong toàn bộ chiều rộng tuyến tính. Hiện tượng này được gọi là "trôi tần số". Do sự tồn tại của trôi, vấn đề ổn định tần số laser phát sinh. Mục đích của ổn định tần số là cố gắng kiểm soát các yếu tố có thể kiểm soát này để giảm thiểu sự can thiệp của chúng vào tần số dao động, do đó cải thiện tính ổn định của tần số laser.
Độ ổn định tần số bao gồm hai khía cạnh: độ ổn định tần số và khả năng tái tạo tần số. Độ ổn định tần số đề cập đến tỷ lệ giữa độ trôi tần số của laser với tần số dao động trong thời gian làm việc không liên tục. Tỷ lệ càng nhỏ thì độ ổn định tần số càng cao. Khả năng tái tạo tần số là sự thay đổi tương đối về tần số khi laser được sử dụng trong các môi trường khác nhau. Các phương pháp ổn định tần số được chia thành loại thụ động và loại chủ động. Các phương pháp ổn định tần số cụ thể là: Phương pháp Lamb sag và phương pháp hấp thụ bão hòa.
3. Chuyển mạch Q:
Nhìn chung, các xung ánh sáng do laser xung thể rắn tạo ra không phải là các xung đơn lẻ, mà là một chuỗi các xung nhọn nhỏ có cường độ khác nhau ở mức micro giây. Chuỗi xung ánh sáng này kéo dài hàng trăm micro giây hoặc thậm chí vài phần mười giây, và công suất cực đại của nó chỉ là hàng chục kilowatt, còn lâu mới đáp ứng được nhu cầu của các ứng dụng thực tế như radar laser và đo khoảng cách bằng laser. Vì lý do này, một số người đã đề xuất khái niệm Q-switching, giúp cải thiện hiệu suất đầu ra của xung laser lên nhiều cấp độ, nén độ rộng xung xuống mức nano giây và công suất cực đại cao tới hàng gigawatt.
Q là hệ số chất lượng của khoang cộng hưởng laser. Công thức cụ thể là Q=2n*năng lượng được lưu trữ trong khoang cộng hưởng/năng lượng bị mất trên mỗi chu kỳ dao động.
Nguyên lý Q-switching: Một phương pháp nhất định được sử dụng để làm cho khoang cộng hưởng ở trạng thái tổn thất cao và giá trị Q thấp khi bắt đầu bơm. Vào thời điểm này, ngưỡng dao động laser rất cao và ngay cả khi số nghịch đảo mật độ hạt tích lũy đến mức rất cao, nó sẽ không tạo ra dao động: khi số nghịch đảo hạt đạt đến giá trị đỉnh, giá trị Q của khoang đột nhiên tăng lên, điều này sẽ khiến độ lợi của môi trường laser vượt quá ngưỡng rất nhiều và tạo ra dao động cực kỳ nhanh chóng. Vào thời điểm này, năng lượng của các hạt được lưu trữ ở trạng thái siêu ổn định sẽ nhanh chóng được chuyển đổi thành năng lượng của photon. Các photon tăng ở tốc độ cực cao và laser có thể tạo ra xung laser có công suất đỉnh cao và độ rộng hẹp.
Vì tổn thất của khoang cộng hưởng bao gồm tổn thất phản xạ, tổn thất hấp thụ, tổn thất nhiễu xạ, tổn thất tán xạ và tổn thất truyền dẫn, nên các phương pháp khác nhau được sử dụng để kiểm soát các loại tổn thất khác nhau để tạo thành các công nghệ Q-switching khác nhau. Hiện nay, các công nghệ Q-switching phổ biến là: Q-switching quang-âm, Q-switching điện-quang và Q-switching nhuộm.
4. Khóa chế độ:
Q-switching có thể nén độ rộng xung laser để thu được các xung laser có độ rộng xung theo thứ tự micro giây và công suất cực đại theo thứ tự gigawatt. Công nghệ khóa chế độ là công nghệ điều chế thêm laser theo một cách đặc biệt, buộc pha của mỗi chế độ dao động dọc trong laser phải được cố định, do đó mỗi chế độ được chồng lên nhau một cách mạch lạc để thu được xung cực ngắn. Sử dụng công nghệ khóa chế độ, có thể thu được các xung laser cực ngắn với độ rộng xung theo thứ tự femto giây và công suất cực đại cao hơn thứ tự T watt. Công nghệ khóa chế độ làm cho năng lượng laser tập trung cao theo thời gian và hiện là công nghệ tiên tiến nhất để thu được laser có công suất cực đại cao.
Nguyên lý khóa chế độ: Nhìn chung, các tia laser mở rộng không đồng đều luôn tạo ra nhiều chế độ dọc. Vì không có mối quan hệ xác định giữa tần số và pha ban đầu của mỗi chế độ, nên các chế độ không nhất quán với nhau, do đó cường độ ánh sáng do nhiều chế độ dọc tạo ra là phép cộng không nhất quán của mỗi chế độ dọc. Cường độ ánh sáng đầu ra dao động không đều theo thời gian. Khóa chế độ cho phép nhiều chế độ dọc có thể tồn tại trong khoang cộng hưởng dao động đồng bộ, giữ cho các khoảng tần số của mỗi chế độ dao động bằng nhau và giữ cho các pha ban đầu của chúng không đổi, do đó tia laser tạo ra một chuỗi xung ngắn với các khoảng thời gian đều đặn và bằng nhau.
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 >= độ rộng của đường laser; thời gian thư giãn phải ngắn hơn thời gian xung di chuyển qua lại một lần.
