Estas cuatro tecnologías se analizan juntas porque todas afectan directamente las características de salida de la resonancia láser.
1. Selección de modo:
La selección de modo es en realidad una 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, y 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 el modo de 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.
Selección del modo longitudinal: Para mejorar la monocromaticidad y la longitud de coherencia del haz de luz, es necesario hacer que el láser funcione en un solo modo longitudinal. Sin embargo, muchos láseres suelen tener varios modos longitudinales que oscilan al mismo tiempo. Por lo tanto, para diseñar un láser de un solo modo longitudinal, se debe utilizar un método de selección de frecuencia. Los métodos comunes incluyen: método de cavidad corta, método de etalón Fabry-Pulloff, método de tres reflectores, 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. La pérdida se puede dividir en pérdida de difracción relacionada con el orden del modo transversal y otras pérdidas no relacionadas con el modo de oscilación. La esencia de la selección del modo transversal fundamental es hacer que el modo TEM00 alcance la condición de oscilación, mientras se suprime la oscilación del modo transversal de orden superior. Por lo tanto, el propósito de seleccionar el modo transversal se puede lograr simplemente controlando la pérdida de transmisión de cada modo de orden superior. 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 puede suprimir la oscilación de otros modos de orden superior. Los métodos comunes incluyen: método de apertura, método de apertura de enfoque y cavidad cóncava-convexa, selección de modo mediante conmutación Q, etc. Método de telescopio intracavitario,
2. Estabilización de frecuencia:
Después de que el láser obtiene una oscilación de frecuencia única a través de la selección de modo, debido a los cambios en las condiciones internas y externas, la frecuencia resonante seguirá moviéndose dentro de todo el ancho lineal. 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 durante el tiempo de trabajo subcontinuo. Cuanto menor sea la relación, mayor será la estabilidad de frecuencia. La reproducibilidad 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 pasivos y activos. Los métodos específicos de estabilización de frecuencia son: método de Lamb sag y 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 con diferentes intensidades a nivel de microsegundos. Esta secuencia de pulsos de luz dura cientos de microsegundos o incluso unas décimas de segundo, 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=2n*energía almacenada en la cavidad resonante/energía perdida por ciclo de oscilación.
Principio de conmutación Q: Se utiliza un método determinado para hacer que la cavidad resonante se encuentre en un estado de alta pérdida y bajo valor Q al comienzo del bombeo. En este momento, el umbral de oscilación del láser 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 produzca oscilaciones extremadamente rápidas. En este momento, la energía de las partículas almacenadas en el estado metaestable se convertirá rápidamente en energía de fotones. Los fotones aumentan a una velocidad extremadamente alta y el láser puede generar un pulso láser con una potencia pico alta y un ancho estrecho.
Debido a que la pérdida de la cavidad resonante incluye pérdida por reflexión, pérdida por absorción, pérdida por difracción, pérdida por dispersión y pérdida por transmisión, se utilizan diferentes métodos para controlar diferentes tipos de pérdidas y formar diferentes tecnologías de conmutación Q. Actualmente, 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 del pulso láser para 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 la fase de cada modo longitudinal que oscila en el láser sea fija, de modo que cada modo se superponga coherentemente para obtener un pulso ultracorto. 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 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: en 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, los modos son incoherentes 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.
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 >= el ancho de la línea láser; el tiempo de relajación debe ser más corto que el tiempo que tarda el pulso en viajar de ida y vuelta una vez.
