Bốn công nghệ này được thảo luận cùng nhau vì tất cả chúng đều ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính đầu ra của khoang 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. Nó 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, các biện pháp hạn chế dao động laser phải được áp dụng 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; 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.
1)Lựa chọn chế độ dọc: Để cải thiện độ đơn sắc và độ dài kết hợp của chùm tia, laser cần hoạt động ở một chế độ dọc duy nhất. Tuy nhiên, nhiều laser thường có một số chế độ dọc dao động cùng một lúc. Do đó, để thiết kế một laser chế độ dọc duy nhất, phải sử dụng phương pháp lựa chọn tần số. Các phương pháp phổ biến bao gồm: phương pháp khoang ngắn, phương pháp Fabry-Ploy etalon, phương pháp ba gương, 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. Các tổn thất có thể được chia thành tổn thất phát xạ đường liên quan đến bậc chế độ ngang và các tổn thất khác không phụ thuộc vào chế độ dao động. Bản chất của việc lựa chọn chế độ ngang cơ bản là làm cho chế độ TEM00 đạt được các điều kiện dao động và triệt tiêu dao động của các chế độ ngang bậc cao hơn. Do đó, chúng ta chỉ cần kiểm soát tổn thất phát xạ đường của mỗi chế độ bậc cao để đạt được mục đích lựa chọn các chế độ ngang. Nói chung, miễn là có thể triệt tiêu dao động chế độ TEM01 và chế độ TEM10 cao hơn một bậc so với chế độ ngang cơ bản, thì có thể triệt tiêu dao động của các chế độ bậc cao khác. Các phương pháp phổ biến bao gồm: phương pháp khẩu độ, phương pháp khẩu độ hội tụ và phương pháp kính thiên văn trong khoang, khoang lõm-lồi, sử dụng lựa chọn chế độ chuyển mạch Q, v.v.
2. Ổn định tần số:
Sau khi laser đạt được dao động tần số đơn thông qua lựa chọn chế độ, tần số cộng hưởng vẫn sẽ di chuyển trong toàn bộ chiều rộng tuyến tính do những thay đổi trong điều kiện bên trong và bên ngoài. 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 tia laser với tần số dao động trong thời gian làm việc liên tục. Tỷ lệ càng nhỏ thì độ ổn định tần số càng cao. Tái tạo tần số là sự thay đổi tương đối về tần số khi tia laser được sử dụng trong các môi trường khác nhau. Các phương pháp ổn định tần số được chia thành hai loại: thụ động và chủ động. Các phương pháp ổn định tần số cụ thể bao gồm: 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 đỉnh nhỏ với cường độ và độ rộng khác nhau trong phạm vi micro giây. Chuỗi xung ánh sáng này kéo dài hàng trăm micro giây hoặc thậm chí là mili giây, và công suất đỉnh 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 đỉnh cao tới hàng gigawatt.
Q là hệ số chất lượng của khoang cộng hưởng laser. Công thức cụ thể là Q=2T"Năng lượng được lưu trữ trong khoang cộng hưởng/Năng lượng bị mất trên mỗi chu kỳ dao động.
Lúc này, nguyên lý dao động laser Q-switching: sử dụng một phương pháp nhất định để làm cho khoang cộng hưởng ở trạng thái tổn thất cao và giá trị Q thấp khi bắt đầu bơm. Ngưỡng dao động rất cao, và ngay cả khi số nghịch đảo mật độ hạt tích tụ 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 dao động sẽ xảy ra cực kỳ nhanh chóng. Lúc 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 và các photon sẽ tăng với tốc độ cực cao. 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 bức 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 quang-điện và Q-switching nhuộm.
4. Khóa chế độ:
Q-switching có thể nén độ rộng xung laser và 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 các pha của các chế độ dọc khác nhau dao động trong laser phải được cố định, do đó mỗi chế độ có thể được chồng lên nhau một cách mạch lạc để thu được các 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 mỗi 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.
Công nghệ khóa chế độ được chia thành khóa chế độ chủ động và khóa chế độ thụ động. Khóa chế độ chủ động: chèn một bộ điều biến có tần số điều chế v=c/2L vào khoang cộng hưởng để điều biến biên độ và pha của đầu ra laser để đạt được độ rung đồng bộ của từng chế độ dọc. Khóa chế độ thụ động: chèn một hộp thuốc nhuộm có đặc tính hấp thụ bão hòa vào khoang laser. Hệ số hấp thụ của hộp thuốc nhuộm có đặc tính hấp thụ bão hòa sẽ giảm khi cường độ ánh sáng tăng. Trong laser, khi bơm quang kích thích vật liệu làm việc, mỗi chế độ dọc sẽ xảy ra ngẫu nhiên và trường ánh sáng sẽ dao động về cường độ do sự chồng chất của chúng. Khi một số chế độ dọc được tăng cường một cách mạch lạc do ngẫu nhiên, các phần có cường độ ánh sáng mạnh hơn sẽ xuất hiện, trong khi các phần khác yếu hơn. Các phần mạnh hơn này được thuốc nhuộm hấp thụ ít hơn và tổn thất không lớn. Các phần yếu hơn được thuốc nhuộm hấp thụ nhiều hơn và trở nên yếu hơn. Do trường ánh sáng đi qua thuốc nhuộm nhiều lần, các phần mạnh và yếu được phân biệt rõ ràng và cuối cùng các phần tăng cường liên kết chế độ dọc này được chọn dưới dạng các xung hẹp. Khóa chế độ thụ động có một số yêu cầu nhất định đối với các tính chất quang học của hộp thuốc nhuộm: đường hấp thụ của thuốc nhuộm phải rất gần với bước sóng laser; độ rộng đường của đường hấp thụ phải lớn hơn hoặc bằng độ rộng đường laser; và thời gian giãn nở phải ngắn hơn thời gian xung di chuyển qua lại trong khoang.
