Estas cuatro tecnologías se analizan juntas porque todas afectan directamente las características de salida de la cavidad resonante del láser.
1. Selección de modo:
La selección de modo es en realidad selección de frecuencia. La mayoría de los láseres utilizan cavidades resonantes más largas para obtener una mayor energía de salida, lo que hace que la salida del láser sea multimodo. Sin embargo, en comparación con los modos de orden superior, el modo transversal fundamental (modo TEM00) tiene las características de alto brillo, pequeño ángulo de divergencia, distribución uniforme de la intensidad de la luz radial y frecuencia de oscilación única. Tiene la mejor interferencia espacial y temporal. Por lo tanto, un láser de modo transversal fundamental único es una fuente de luz coherente ideal, lo cual es muy importante para aplicaciones como la interferometría láser, el análisis espectral y el procesamiento láser. Para cumplir con estas condiciones, se deben adoptar medidas para limitar la oscilación del láser para suprimir el funcionamiento de la mayoría de las frecuencias resonantes en láseres multimodo y utilizar tecnología de selección de modo para obtener una salida láser monomodo de frecuencia única.
La selección del modo se divide en dos formas: una es la selección del modo longitudinal del láser y la otra es la selección del modo transversal del láser. La primera tiene un mayor impacto en la frecuencia de salida del láser y puede mejorar en gran medida la coherencia del láser; la segunda afecta principalmente a la uniformidad de la intensidad de la luz de la salida del láser y mejora el brillo del láser.
1)Selección del modo longitudinal: Para mejorar la monocromaticidad y la longitud de coherencia del haz, el láser debe funcionar en un único modo longitudinal. Sin embargo, muchos láseres suelen tener varios modos longitudinales oscilando al mismo tiempo. Por lo tanto, para diseñar un láser de un único modo longitudinal, se debe utilizar un método de selección de frecuencia. Los métodos más comunes incluyen: método de cavidad corta, método de etalón Fabry-Ploy, método de tres espejos, etc.
2)Selección del modo transversal: La condición para la oscilación láser es que el coeficiente de ganancia debe ser mayor que el coeficiente de pérdida. Las pérdidas se pueden dividir en pérdidas de emisión de línea relacionadas con el orden del modo transversal y otras pérdidas independientes del modo de oscilación. La esencia de seleccionar el modo transversal fundamental es hacer que el modo TEM00 alcance las condiciones de oscilación y suprima la oscilación de los modos transversales de orden superior. Por lo tanto, solo necesitamos controlar la pérdida de emisión de línea de cada modo de orden superior para lograr el propósito de seleccionar modos transversales. En términos generales, siempre que se puedan suprimir las oscilaciones del modo TEM01 y del modo TEM10 que son un orden superior al modo transversal fundamental, se pueden suprimir las oscilaciones de otros modos de orden superior. Los métodos comunes incluyen: método de apertura, método de apertura de enfoque y método de telescopio intracavitario, cavidad cóncava-convexa, utilizando la selección de modo Q-switched, etc.
2. Estabilización de frecuencia:
Una vez que el láser obtiene una oscilación de frecuencia única mediante la selección de modo, la frecuencia resonante seguirá moviéndose dentro de todo el ancho lineal debido a los cambios en las condiciones internas y externas. Este fenómeno se denomina "deriva de frecuencia". Debido a la existencia de la deriva, surge el problema de la estabilidad de la frecuencia del láser. El propósito de la estabilización de frecuencia es tratar de controlar estos factores controlables para minimizar su interferencia con la frecuencia de oscilación, mejorando así la estabilidad de la frecuencia del láser.
La estabilidad de frecuencia incluye dos aspectos: estabilidad de frecuencia y reproducibilidad de frecuencia. La estabilidad de frecuencia se refiere a la relación entre la deriva de frecuencia del láser y la frecuencia de oscilación dentro de un tiempo de trabajo continuo. Cuanto menor sea la relación, mayor será la estabilidad de frecuencia. La reproducción de frecuencia es el cambio relativo en la frecuencia cuando el láser se utiliza en diferentes entornos. Los métodos de estabilización de frecuencia se dividen en dos tipos: pasivos y activos. Los métodos específicos de estabilización de frecuencia incluyen: el método de Lamb sag y el método de absorción de saturación.
3. Conmutación Q:
En general, los pulsos de luz emitidos por los láseres de pulsos de estado sólido no son pulsos uniformes y uniformes, sino una secuencia de pequeños pulsos de pico con intensidades y anchos variables en el rango de los microsegundos. Esta secuencia de pulsos de luz dura cientos de microsegundos o incluso milisegundos, y su potencia máxima es de solo decenas de kilovatios, lo que dista mucho de satisfacer las necesidades de aplicaciones prácticas como el radar láser y la medición de distancias por láser. Por esta razón, algunas personas han propuesto el concepto de conmutación Q, que ha mejorado el rendimiento de salida de los pulsos láser en varios órdenes de magnitud, ha comprimido el ancho de pulso al nivel de nanosegundos y la potencia máxima es tan alta como gigavatios.
Q se refiere al factor de calidad de la cavidad resonante del láser. La fórmula específica es Q=2T"Energía almacenada en la cavidad resonante/Energía perdida por ciclo de oscilación.
En este momento, el principio de conmutación Q de la oscilación láser: se utiliza un método determinado para hacer que la cavidad resonante esté en un estado de alta pérdida y bajo valor Q al comienzo del bombeo. El umbral de oscilación es muy alto, e incluso si el número de inversión de densidad de partículas se acumula a un nivel muy alto, no producirá oscilación; cuando el número de inversión de partículas alcanza el valor pico, el valor Q de la cavidad aumenta repentinamente, lo que hará que la ganancia del medio láser supere en gran medida el umbral y la oscilación se producirá extremadamente rápido. En este momento, la energía de las partículas almacenadas en el estado metaestable se convertirá rápidamente en la energía de los fotones, y los fotones aumentarán a una tasa extremadamente alta. El láser puede generar un pulso láser con alta potencia pico y ancho estrecho.
Debido a que la pérdida de la cavidad resonante incluye pérdida por reflexión, pérdida por absorción, pérdida por radiación, pérdida por dispersión y pérdida por transmisión, se utilizan diferentes métodos para controlar diferentes tipos de pérdidas y formar diferentes tecnologías de conmutación Q. En la actualidad, las tecnologías de conmutación Q más comunes son: conmutación Q acústico-óptica, conmutación Q electro-óptica y conmutación Q por colorante.
4. Bloqueo de modo:
La tecnología de bloqueo de modo permite comprimir el ancho de pulso del láser y obtener pulsos láser con un ancho de pulso del orden de microsegundos y una potencia pico del orden de gigavatios. La tecnología de bloqueo de modo es una tecnología que modula aún más el láser de una manera especial, obligando a que las fases de los diversos modos longitudinales que oscilan en el láser sean fijas, de modo que cada modo se pueda superponer coherentemente para obtener pulsos ultracortos. Utilizando la tecnología de bloqueo de modo, se pueden obtener pulsos láser ultracortos con un ancho de pulso del orden de femtosegundos y una potencia pico superior al orden de T vatios. La tecnología de bloqueo de modo hace que la energía del láser esté altamente concentrada en el tiempo y actualmente es la tecnología más avanzada para obtener láseres de alta potencia pico.
Principio de bloqueo de modos: por lo general, los láseres ensanchados de manera no uniforme siempre producen múltiples modos longitudinales. Dado que no existe una relación definida entre la frecuencia y la fase inicial de cada modo, cada modo es incoherente entre sí, por lo que la intensidad de luz emitida por múltiples modos longitudinales es la suma incoherente de cada modo longitudinal. La intensidad de luz emitida fluctúa de manera irregular a lo largo del tiempo. El bloqueo de modos permite que múltiples modos longitudinales que puedan existir en la cavidad resonante oscilen de manera sincrónica, mantiene los intervalos de frecuencia de cada modo de oscilación iguales y mantiene constantes sus fases iniciales, de modo que el láser emite una secuencia de pulsos cortos con intervalos regulares e iguales en el tiempo.
La tecnología de bloqueo de modo se divide en bloqueo de modo activo y bloqueo de modo pasivo. Bloqueo de modo activo: inserte un modulador con una frecuencia de modulación v=c/2L en la cavidad resonante para modular la amplitud y fase de la salida del láser para lograr la vibración sincrónica de cada modo longitudinal. Bloqueo de modo pasivo: inserte una caja de tinte con características de absorción saturada en la cavidad láser. El coeficiente de absorción de la caja de tinte con características de absorción saturables disminuirá con el aumento de la intensidad de la luz. En el láser, a medida que la bomba óptica excita el material de trabajo, cada modo longitudinal ocurrirá aleatoriamente y el campo de luz fluctuará en intensidad debido a su superposición. Cuando algunos modos longitudinales se mejoran coherentemente por casualidad, aparecen partes con una intensidad de luz más fuerte, mientras que otras partes son más débiles. Estas partes más fuertes son absorbidas menos por el tinte y la pérdida no es grande. Las partes más débiles son absorbidas más por el tinte y se vuelven más débiles. Como resultado de que el campo de luz pase a través del tinte muchas veces, las partes fuertes y débiles se distinguen claramente, y finalmente estas partes de mejora coherentes del modo longitudinal se seleccionan en forma de pulsos estrechos. El bloqueo del modo pasivo tiene ciertos requisitos sobre las propiedades ópticas de la caja de tinte: la línea de absorción del tinte debe estar muy cerca de la longitud de onda del láser; el ancho de línea de la línea de absorción debe ser mayor o igual que el ancho de línea del láser; y el tiempo de relajación debe ser más corto que el tiempo que tarda el pulso en viajar de ida y vuelta en la cavidad.
