این چهار فناوری با هم مورد بحث قرار می گیرند زیرا همه آنها مستقیماً بر ویژگی های خروجی رزونانس 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 یکنواخت شدت نور شعاعی و فرکانس تک نوسانی است و بهترین فضایی و مکانی را دارد. تداخل زمانی 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 حالت 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 و دیگری انتخاب حالت عرضی لیزری. 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.
انتخاب حالت طولی: برای بهبود تک رنگی و طول پیوستگی پرتو نور، لازم است لیزر در حالت تک 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 متداول عبارتند از: روش حفره کوتاه، روش اتالون Fabry-Pulloff، روش سه بازتابنده 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 پراش مربوط به ترتیب حالت عرضی و سایر تلفات غیر مرتبط با حالت نوسان تقسیم کرد. ماهیت انتخاب حالت عرضی اساسی این است که حالت TEM{1}} به شرایط نوسان برسد، در حالی که نوسان حالت عرضی مرتبه بالاتر سرکوب شده است. بنابراین، هدف از انتخاب حالت عرضی را می توان به سادگی با کنترل تلفات انتقال هر حالت درجه بالاتر بدست آورد. 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، نوسان سایر حالت های مرتبه بالاتر را می توان سرکوب کرد. روش های رایج عبارتند از: روش دیافراگم، روش دیافراگم فوکوس و حفره مقعر-محدب، انتخاب حالت با استفاده از سوئیچینگ Q و غیره روش تلسکوپ درون حفره ای،
2. تثبیت فرکانس:
پس از اینکه لیزر از طریق انتخاب حالت نوسان تک فرکانس را به دست آورد، به دلیل تغییرات در شرایط داخلی و خارجی، فرکانس تشدید همچنان در کل عرض خطی 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 طول زمان کار زیر پیوسته اشاره دارد. هرچه این نسبت کوچکتر باشد، پایداری فرکانس بالاتر است. تکرارپذیری 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، پالس های نوری که توسط لیزرهای پالس حالت جامد تولید می شود، تک پالس های صاف نیستند، بلکه دنباله ای از پالس های سنبله کوچک با شدت های مختلف در سطح میکروثانیه هستند. این توالی پالس نوری صدها میکروثانیه یا حتی چند دهم ثانیه طول می کشد و حداکثر توان آن تنها ده ها کیلووات است که با نیازهای کاربردی مانند رادار لیزری و برد لیزری 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}}n*انرژی ذخیره شده در حفره تشدید/انرژی از دست رفته در هر چرخه نوسان است.
اصل سوئیچینگ Q: از روش خاصی برای ساختن حفره تشدید در حالت اتلاف زیاد و مقدار Q در ابتدای پمپاژ استفاده می شود. در این زمان، آستانه نوسان لیزر بسیار بالا است و حتی اگر عدد وارونگی چگالی ذرات به سطح بسیار بالایی انباشته شود، نوسان ایجاد نمی کند: وقتی 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 نوسانات بسیار سریع ایجاد کند. در این زمان، انرژی ذرات ذخیره شده در حالت فراپایدار به سرعت به انرژی فوتون ها تبدیل می شود. فوتونها با سرعت بسیار بالایی افزایش مییابند و لیزر میتواند یک پالس لیزری با قدرت پیک بالا و عرض کم تولید کند.
از آنجایی که از دست دادن حفره تشدید شامل از دست دادن انعکاس، افت جذب، افت پراش، تلفات پراکندگی و تلفات انتقال است، روشهای مختلفی برای کنترل انواع تلفات برای تشکیل فناوریهای مختلف سوئیچینگ Q استفاده میشود. در حال حاضر، فناوریهای رایج سوئیچینگ Q عبارتند از: سوئیچینگ آکوستو-اپتیک، سوئیچینگ Q الکترواپتیک و سوئیچینگ کیو رنگ.
4. قفل کردن حالت:
سوئیچینگ کیو میتواند عرض پالس لیزر را فشرده کند تا پالسهای لیزری با عرض پالسی در حد میکروثانیه و اوج قدرت مرتبه گیگاوات بدست آید. فن آوری قفل حالت فناوری است که لیزر را به روشی خاص تعدیل می کند و فاز هر حالت طولی را که در لیزر نوسان می کند مجبور می کند ثابت شود، به طوری که هر حالت به طور منسجم روی هم قرار می گیرد تا یک پالس 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 کردن 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، مدها با یکدیگر ناهماهنگ هستند، 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.
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 >= عرض خط لیزر؛ زمان استراحت باید کمتر از زمانی باشد که طول می کشد تا نبض یک بار به جلو و عقب برود.
