Diese vier Technologien werden zusammen besprochen, da sie alle einen direkten Einfluss auf die Ausgangseigenschaften des Laserresonatorhohlraums haben.
1. Modusauswahl:
Die Modusauswahl ist eigentlich eine Frequenzauswahl. Die meisten Laser verwenden längere Resonanzhohlräume, um eine größere Ausgangsenergie zu erhalten, wodurch der Laserausgang multimodal wird. Im Vergleich zu Modi höherer Ordnung weist der fundamentale Quermodus (TEM00-Modus) jedoch die Eigenschaften hoher Helligkeit, kleiner Divergenzwinkel, gleichmäßiger radialer Lichtintensitätsverteilung und einzelner Schwingungsfrequenz auf. Er weist die beste räumliche und zeitliche Interferenz auf. Daher ist ein Laser mit einem einzigen fundamentalen Quermodus eine ideale kohärente Lichtquelle, was für Anwendungen wie Laserinterferometrie, Spektralanalyse und Laserverarbeitung sehr wichtig ist. Um diese Bedingungen zu erfüllen, müssen Maßnahmen zur Begrenzung der Laserschwingung ergriffen werden, um den Betrieb der meisten Resonanzfrequenzen in Multimode-Lasern zu unterdrücken, und die Modusauswahltechnologie verwendet werden, um einen einmodigen Einzelfrequenz-Laserausgang zu erhalten.
Die Modusauswahl erfolgt auf zwei Arten: Zum einen kann der Laser-Longitudinalmodus ausgewählt werden, zum anderen kann der Laser-Quertransversalmodus ausgewählt werden. Ersteres hat einen größeren Einfluss auf die Ausgangsfrequenz des Lasers und kann die Kohärenz des Lasers erheblich verbessern; letzteres beeinflusst hauptsächlich die Gleichmäßigkeit der Lichtintensität der Laserausgabe und verbessert die Helligkeit des Lasers.
1)Auswahl des Longitudinalmodus: Um die Monochromatizität und Kohärenzlänge des Strahls zu verbessern, muss der Laser in einem einzigen Longitudinalmodus arbeiten. Bei vielen Lasern oszillieren jedoch häufig mehrere Longitudinalmodi gleichzeitig. Daher muss zur Entwicklung eines Lasers mit einem einzigen Longitudinalmodus eine Frequenzauswahlmethode verwendet werden. Zu den gängigen Methoden gehören: Kurzhohlraummethode, Fabry-Ploy-Etalonmethode, Dreispiegelmethode usw.
2)Auswahl des Quermodus: Voraussetzung für die Laserschwingung ist, dass der Verstärkungskoeffizient größer als der Verlustkoeffizient sein muss. Die Verluste können in Linienemissionsverluste in Bezug auf die Ordnung des Quermodus und andere Verluste unabhängig vom Schwingungsmodus unterteilt werden. Das Wesentliche bei der Auswahl des grundlegenden Quermodus ist, den TEM00-Modus in Schwingungsbedingungen zu bringen und die Schwingung von Quermodi höherer Ordnung zu unterdrücken. Daher müssen wir nur den Linienemissionsverlust jedes Modus höherer Ordnung steuern, um den Zweck der Auswahl von Quermodi zu erreichen. Generell gilt: Solange die Schwingungen des TEM01-Modus und des TEM10-Modus, die eine Ordnung höher sind als der grundlegende Quermodus, unterdrückt werden können, können auch die Schwingungen anderer Modi höherer Ordnung unterdrückt werden. Zu den gängigen Methoden gehören: Blendenmethode, Fokussierungsblendenmethode und Intra-Cavity-Teleskopmethode, konkav-konvexe Kavität, Verwendung einer Q-Switch-Modusauswahl usw.
2. Frequenzstabilisierung:
Nachdem der Laser durch Modusauswahl eine einfrequente Schwingung erreicht hat, bewegt sich die Resonanzfrequenz aufgrund von Änderungen der internen und externen Bedingungen immer noch innerhalb der gesamten linearen Breite. Dieses Phänomen wird als „Frequenzdrift“ bezeichnet. Aufgrund der Drift entsteht das Problem der Laserfrequenzstabilität. Der Zweck der Frequenzstabilisierung besteht darin, zu versuchen, diese steuerbaren Faktoren zu kontrollieren, um ihre Interferenzen mit der Schwingungsfrequenz zu minimieren und so die Stabilität der Laserfrequenz zu verbessern.
Die Frequenzstabilität umfasst zwei Aspekte: Frequenzstabilität und Frequenzreproduzierbarkeit. Die Frequenzstabilität bezieht sich auf das Verhältnis der Frequenzdrift des Lasers zur Schwingungsfrequenz innerhalb einer kontinuierlichen Arbeitszeit. Je kleiner das Verhältnis, desto höher die Frequenzstabilität. Die Frequenzreproduzierbarkeit ist die relative Frequenzänderung, wenn der Laser in verschiedenen Umgebungen verwendet wird. Frequenzstabilisierungsmethoden werden in zwei Typen unterteilt: passiv und aktiv. Zu den spezifischen Frequenzstabilisierungsmethoden gehören: Lamb-Sag-Methode und Sättigungsabsorptionsmethode.
3. Güteschaltung:
Im Allgemeinen sind die von Festkörper-Pulslasern ausgegebenen Lichtimpulse keine einzelnen glatten Impulse, sondern eine Folge kleiner Spitzenimpulse mit unterschiedlichen Intensitäten und Breiten im Mikrosekundenbereich. Diese Lichtimpulsfolge dauert Hunderte von Mikrosekunden oder sogar Millisekunden und ihre Spitzenleistung beträgt nur einige zehn Kilowatt, was bei weitem nicht den Anforderungen praktischer Anwendungen wie Laserradar und Laserentfernungsmessung entspricht. Aus diesem Grund haben einige Leute das Konzept des Q-Switching vorgeschlagen, das die Ausgangsleistung von Laserimpulsen um mehrere Größenordnungen verbessert, die Impulsbreite auf das Nanosekundenniveau komprimiert und die Spitzenleistung bis zu Gigawatt erreicht.
Q bezieht sich auf den Qualitätsfaktor des Laserresonators. Die genaue Formel lautet Q=2T"Im Resonanzraum gespeicherte Energie/Energieverlust pro Schwingungszyklus.
Zu diesem Zeitpunkt gilt das Prinzip der Laserschwingungs-Q-Umschaltung: Zu Beginn des Pumpens wird eine bestimmte Methode verwendet, um den Resonanzhohlraum in einen Zustand mit hohem Verlust und niedrigem Q-Wert zu versetzen. Die Schwingungsschwelle ist sehr hoch, und selbst wenn die Inversionszahl der Partikeldichte ein sehr hohes Niveau erreicht, wird keine Schwingung erzeugt; wenn die Inversionszahl der Partikel den Spitzenwert erreicht, wird der Q-Wert des Hohlraums plötzlich erhöht, was dazu führt, dass die Verstärkung des Lasermediums die Schwelle deutlich überschreitet und die Schwingung extrem schnell erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Energie der im metastabilen Zustand gespeicherten Partikel schnell in die Energie von Photonen umgewandelt, und die Photonen werden mit einer extrem hohen Rate zunehmen. Der Laser kann einen Laserimpuls mit hoher Spitzenleistung und schmaler Breite ausgeben.
Da der Verlust des Resonanzhohlraums Reflexionsverlust, Absorptionsverlust, Strahlungsverlust, Streuverlust und Übertragungsverlust umfasst, werden unterschiedliche Methoden zur Kontrolle unterschiedlicher Verlustarten verwendet, um unterschiedliche Güteschalttechnologien zu bilden. Derzeit sind gängige Güteschalttechnologien: akustooptische Güteschaltung, elektrooptische Güteschaltung und Farbstoff-Güteschaltung.
4. Moduskopplung:
Durch Q-Switching kann die Laserpulsbreite komprimiert werden, sodass Laserpulse mit einer Pulsbreite in der Größenordnung von Mikrosekunden und einer Spitzenleistung in der Größenordnung von Gigawatt erhalten werden. Die Modenkopplungstechnologie ist eine Technologie, die den Laser zusätzlich auf spezielle Weise moduliert, indem die Phasen der verschiedenen im Laser oszillierenden Longitudinalmoden fixiert werden, sodass jeder Modus kohärent überlagert werden kann, um ultrakurze Pulse zu erhalten. Mithilfe der Modenkopplungstechnologie können ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsbreite in der Größenordnung von Femtosekunden und einer Spitzenleistung von über T Watt erhalten werden. Die Modenkopplungstechnologie sorgt für eine zeitlich stark konzentrierte Laserenergie und ist derzeit die fortschrittlichste Technologie zur Erzielung von Lasern mit hoher Spitzenleistung.
Prinzip der Modenkopplung: Im Allgemeinen erzeugen ungleichmäßig verbreiterte Laser immer mehrere longitudinale Moden. Da es keine eindeutige Beziehung zwischen der Frequenz und der Anfangsphase jedes Modes gibt, sind alle Moden inkohärent zueinander, sodass die von mehreren longitudinalen Moden abgegebene Lichtintensität die inkohärente Summe der einzelnen longitudinalen Moden ist. Die abgegebene Lichtintensität schwankt im Laufe der Zeit unregelmäßig. Durch Modenkopplung können mehrere longitudinale Moden, die im Resonanzhohlraum vorhanden sein können, synchron schwingen, wobei die Frequenzintervalle jedes Schwingungsmodus gleich bleiben und ihre Anfangsphasen konstant bleiben, sodass der Laser eine kurze Impulsfolge mit regelmäßigen und gleichen Zeitintervallen ausgibt.
Die Modenkopplungstechnologie wird in aktive und passive Modenkopplung unterteilt. Aktive Modenkopplung: Setzen Sie einen Modulator mit einer Modulationsfrequenz v=c/2L in den Resonanzhohlraum ein, um die Amplitude und Phase des Laserausgangs zu modulieren und so eine synchrone Schwingung jedes Longitudinalmodus zu erreichen. Passive Modenkopplung: Setzen Sie eine Farbstoffbox mit gesättigten Absorptionseigenschaften in den Laserhohlraum ein. Der Absorptionskoeffizient der Farbstoffbox mit sättigbaren Absorptionseigenschaften verringert sich mit zunehmender Lichtintensität. Wenn im Laser die optische Pumpe das Arbeitsmaterial anregt, tritt jeder Longitudinalmodus zufällig auf und das Lichtfeld schwankt aufgrund ihrer Überlagerung in der Intensität. Wenn einige Longitudinalmodi zufällig kohärent verstärkt werden, treten Teile mit stärkerer Lichtintensität auf, während andere Teile schwächer sind. Diese stärkeren Teile werden weniger vom Farbstoff absorbiert und der Verlust ist nicht groß. Die schwächeren Teile werden stärker vom Farbstoff absorbiert und werden schwächer. Da das Lichtfeld den Farbstoff viele Male durchläuft, werden die starken und schwachen Teile klar unterschieden, und schließlich werden diese Teile mit kohärenter Verstärkung im Längsmodus in Form schmaler Impulse ausgewählt. Die passive Modenkopplung stellt bestimmte Anforderungen an die optischen Eigenschaften der Farbstoffbox: Die Absorptionslinie des Farbstoffs muss sehr nahe an der Laserwellenlänge liegen; die Linienbreite der Absorptionslinie muss größer oder gleich der Laserlinienbreite sein; und die Relaxationszeit muss kürzer sein als die Zeit, die der Impuls benötigt, um im Hohlraum hin und her zu wandern.
