این چهار فناوری با هم مورد بحث قرار می گیرند زیرا همه آنها مستقیماً بر ویژگی های خروجی حفره تشدید لیزر تأثیر می گذارند.
1. انتخاب حالت:
انتخاب حالت در واقع انتخاب فرکانس است. اکثر لیزرها از حفره های تشدید طولانی تری برای به دست آوردن انرژی خروجی بیشتر استفاده می کنند که باعث می شود خروجی لیزر چند حالته شود. با این حال، در مقایسه با حالتهای مرتبه بالاتر، حالت عرضی بنیادی (حالت TEM{2}}) دارای ویژگیهای روشنایی بالا، زاویه واگرایی کوچک، توزیع شدت نور شعاعی یکنواخت و فرکانس نوسان تک است. بهترین تداخل مکانی و زمانی را دارد. بنابراین، یک لیزر حالت عرضی بنیادی یک منبع نور منسجم ایده آل است که برای کاربردهایی مانند تداخل سنجی لیزری، تحلیل طیفی و پردازش لیزری بسیار مهم است. به منظور برآورده شدن این شرایط، باید اقداماتی برای محدود کردن نوسان لیزر اتخاذ کرد تا عملکرد اکثر فرکانسهای تشدید در لیزرهای چند حالته متوقف شود، و از فناوری انتخاب حالت برای به دست آوردن خروجی لیزر تک فرکانس تک حالته استفاده شود.
انتخاب حالت به دو صورت تقسیم می شود: یکی انتخاب حالت طولی لیزری است. دیگری انتخاب حالت عرضی لیزری است. اولی تأثیر بیشتری بر فرکانس خروجی لیزر دارد و می تواند انسجام لیزر را تا حد زیادی بهبود بخشد. دومی عمدتاً بر یکنواختی شدت نور خروجی لیزر تأثیر می گذارد و روشنایی لیزر را بهبود می بخشد.
1)انتخاب حالت طولی: برای بهبود تک رنگی و طول پیوستگی پرتو، لیزر باید در یک حالت طولی کار کند. با این حال، بسیاری از لیزرها اغلب دارای چندین حالت طولی هستند که به طور همزمان در حال نوسان هستند. بنابراین برای طراحی لیزر تک حالت طولی باید از روش انتخاب فرکانس استفاده شود. روش های رایج عبارتند از: روش حفره کوتاه، روش اتالون Fabry-Ploy، روش سه آینه و غیره.
2)انتخاب حالت عرضی: شرط نوسان لیزر این است که ضریب بهره باید بیشتر از ضریب تلفات باشد. تلفات را می توان به تلفات انتشار خط مربوط به ترتیب حالت عرضی و سایر تلفات مستقل از حالت نوسان تقسیم کرد. ماهیت انتخاب حالت عرضی اساسی این است که حالت TEM{0}} به شرایط نوسانی برسد و نوسان حالت های عرضی مرتبه بالاتر را سرکوب کند. بنابراین، برای دستیابی به هدف انتخاب حالت های عرضی، فقط باید افت انتشار خط هر حالت مرتبه بالا را کنترل کنیم. به طور کلی، تا زمانی که نوسانات حالت TEM01 و حالت TEM10 که یک مرتبه بالاتر از حالت عرضی اصلی هستند را بتوان سرکوب کرد، نوسانات سایر حالت های مرتبه بالاتر را می توان سرکوب کرد. روش های رایج عبارتند از: روش دیافراگم، روش دیافراگم فوکوس و روش تلسکوپ درون حفره ای، حفره مقعر-محدب، استفاده از انتخاب حالت سوئیچ کیو و غیره.
2. تثبیت فرکانس:
پس از اینکه لیزر از طریق انتخاب حالت، نوسان تک فرکانس را به دست آورد، فرکانس تشدید همچنان در کل عرض خطی به دلیل تغییرات در شرایط داخلی و خارجی حرکت می کند. به این پدیده «دریفت فرکانس» می گویند. به دلیل وجود رانش، مشکل پایداری فرکانس لیزر به وجود می آید. هدف از تثبیت فرکانس تلاش برای کنترل این عوامل قابل کنترل است تا تداخل آنها با فرکانس نوسان به حداقل برسد و در نتیجه پایداری فرکانس لیزر بهبود یابد.
پایداری فرکانس شامل دو جنبه است: ثبات فرکانس و تکرارپذیری فرکانس. پایداری فرکانس به نسبت رانش فرکانس لیزر به فرکانس نوسان در یک زمان کار مداوم اشاره دارد. هرچه این نسبت کوچکتر باشد، پایداری فرکانس بالاتر است. بازتولید فرکانس، تغییر نسبی فرکانس زمانی است که لیزر در محیط های مختلف استفاده می شود. روش های تثبیت فرکانس به دو نوع غیرفعال و فعال تقسیم می شوند. روشهای تثبیت فرکانس خاص عبارتند از: روش فرورفتگی بره و روش جذب اشباع.
3. سوئیچینگ Q:
به طور کلی، پالسهای نوری که توسط لیزرهای پالس حالت جامد تولید میشوند، تک پالسهای صاف نیستند، بلکه دنبالهای از پالسهای اوج کوچک با شدتها و عرضهای متفاوت در محدوده میکروثانیه هستند. این توالی پالس نوری صدها میکروثانیه یا حتی میلیثانیه دوام میآورد و حداکثر توان آن تنها دهها کیلووات است که با نیازهای کاربردی مانند رادار لیزری و برد لیزر فاصله زیادی دارد. به همین دلیل، برخی از افراد مفهوم سوئیچینگ Q را پیشنهاد کردهاند که عملکرد خروجی پالسهای لیزری را با چندین مرتبه بهبود میبخشد، عرض پالس را تا سطح نانوثانیه فشرده میکند و قدرت پیک آن به اندازه گیگاوات است.
Q به فاکتور کیفیت حفره تشدید لیزر اشاره دارد. فرمول خاص Q{0}}T"انرژی ذخیره شده در حفره تشدید/انرژی از دست رفته در هر چرخه نوسان است.
در این زمان، اصل نوسانات لیزری سوئیچینگ Q: روش خاصی برای ایجاد حفره تشدید در حالت کم تلفات و مقدار Q در ابتدای پمپاژ استفاده می شود. آستانه نوسان بسیار بالا است و حتی اگر عدد وارونگی چگالی ذرات به سطح بسیار بالایی انباشته شود، نوسان ایجاد نمی کند. هنگامی که عدد وارونگی ذرات به مقدار اوج می رسد، مقدار Q حفره به طور ناگهانی افزایش می یابد، که باعث می شود بهره محیط لیزر تا حد زیادی از آستانه فراتر رود و نوسان بسیار سریع رخ می دهد. در این زمان، انرژی ذرات ذخیره شده در حالت فراپایدار به سرعت به انرژی فوتون ها تبدیل می شود و فوتون ها با سرعت بسیار بالایی افزایش می یابند. لیزر می تواند یک پالس لیزری با قدرت پیک بالا و عرض کم تولید کند.
از آنجایی که از دست دادن حفره تشدید شامل از دست دادن بازتاب، افت جذب، افت تابش، تلفات پراکندگی و تلفات انتقال است، روشهای مختلفی برای کنترل انواع تلفات برای تشکیل فناوریهای مختلف سوئیچینگ Q استفاده میشود. در حال حاضر، فناوری های رایج سوئیچینگ Q عبارتند از: سوئیچینگ آکوستو-اپتیک Q-سوئیچینگ، سوئیچینگ الکترواپتیک Q-سوئیچینگ و رنگ Q-switching.
4. قفل کردن حالت:
سوئیچینگ کیو میتواند پهنای پالس لیزر را فشرده کند و پالسهای لیزری با عرض پالسی حدود میکروثانیه و اوج قدرت مرتبه گیگاوات به دست آورد. فناوری قفل حالت فناوری است که لیزر را به روشی خاص تعدیل میکند و فازهای حالتهای طولی مختلف که در لیزر نوسان میکنند را مجبور میکند ثابت شوند، به طوری که هر حالت میتواند به طور منسجم روی هم قرار گیرد تا پالسهای فوق کوتاه به دست آید. با استفاده از فناوری قفل حالت، پالس های لیزری فوق کوتاه با پهنای پالسی در حد فمتوثانیه و توان پیک بالاتر از مرتبه T وات را می توان به دست آورد. فناوری قفل کردن حالت باعث می شود انرژی لیزر در زمان بسیار متمرکز شود و در حال حاضر پیشرفته ترین فناوری برای به دست آوردن لیزرهای با حداکثر توان است.
اصل قفل حالت: به طور کلی، لیزرهای غیریکنواخت گسترده همیشه چندین حالت طولی تولید می کنند. از آنجایی که هیچ رابطه مشخصی بین فرکانس و فاز اولیه هر مد وجود ندارد، هر مد با یکدیگر ناهماهنگ است، بنابراین شدت نور خروجی توسط مدهای طولی چندگانه، اضافه نامنسجم هر مد طولی است. شدت نور خروجی در طول زمان به طور نامنظم در نوسان است. قفل کردن حالت به حالت های طولی متعددی که ممکن است در حفره تشدید وجود داشته باشند اجازه می دهد تا به طور همزمان نوسان کنند، فواصل فرکانس هر حالت نوسان را برابر نگه می دارد و فازهای اولیه آنها را ثابت نگه می دارد، به طوری که لیزر یک دنباله پالس کوتاه با فواصل منظم و مساوی در زمان خروجی می دهد.
فناوری قفل حالت به قفل حالت فعال و قفل حالت غیرفعال تقسیم می شود. قفل کردن حالت فعال: یک مدولاتور با فرکانس مدولاسیون v=c/2L را در حفره تشدید قرار دهید تا دامنه و فاز خروجی لیزر را برای دستیابی به لرزش همزمان هر حالت طولی تعدیل کند. قفل حالت غیرفعال: یک جعبه رنگ با ویژگی های جذب اشباع را در حفره لیزر قرار دهید. ضریب جذب جعبه رنگ با ویژگی های جذب اشباع پذیر با افزایش شدت نور کاهش می یابد. در لیزر، همانطور که پمپ نوری مواد کار را تحریک می کند، هر حالت طولی به طور تصادفی رخ می دهد و شدت میدان نور به دلیل برهم نهی آنها تغییر می کند. هنگامی که برخی از حالت های طولی به طور منسجم به طور تصادفی افزایش می یابند، بخش هایی با شدت نور قوی تر ظاهر می شوند، در حالی که سایر قسمت ها ضعیف تر هستند. این قسمت های قوی تر کمتر جذب رنگ می شوند و تلفات آن زیاد نیست. قسمت های ضعیف تر بیشتر جذب رنگ شده و ضعیف تر می شوند. در نتیجه میدان نوری که بارها از رنگ عبور می کند، قسمت های قوی و ضعیف به وضوح تشخیص داده می شوند و در نهایت این قسمت های تقویت همدوس حالت طولی به صورت پالس های باریک انتخاب می شوند. قفل حالت غیرفعال الزامات خاصی در مورد خواص نوری جعبه رنگ دارد: خط جذب رنگ باید بسیار نزدیک به طول موج لیزر باشد. عرض خط خط جذب باید بزرگتر یا مساوی با عرض خط لیزر باشد. و زمان استراحت باید کمتر از زمانی باشد که طول می کشد تا نبض به جلو و عقب در حفره حرکت کند.
