Diese vier Technologien werden zusammen besprochen, da sie alle die Ausgabeeigenschaften der Laserresonanz direkt beeinflussen.
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 grundlegende Quermodus (TEM00-Modus) jedoch die Eigenschaften hoher Helligkeit, kleiner Divergenzwinkel, gleichmäßiger radialer Lichtintensitätsverteilung und einzelner Schwingungsfrequenz auf und weist die beste räumliche und zeitliche Interferenz auf. Daher ist ein Laser mit einem einzelnen grundlegenden 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 des Laserschwingungsmodus ergriffen werden, um den Betrieb der meisten Resonanzfrequenzen in Multimode-Lasern zu unterdrücken, und die Modusauswahltechnologie muss 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 der Laser-Quermodus. 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.
Auswahl des Longitudinalmodus: Um die Monochromasie und Kohärenzlänge des Lichtstrahls zu verbessern, muss der Laser in einem einzigen Longitudinalmodus arbeiten. Bei vielen Lasern schwingen 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-Pulloff-Etalonmethode, Dreireflektormethode usw.
2) Auswahl des Quermodus: Die Voraussetzung für die Laserschwingung ist, dass der Verstärkungskoeffizient größer als der Verlustkoeffizient sein muss. Der Verlust kann in Beugungsverluste in Bezug auf die Quermodusordnung und andere Verluste unterteilt werden, die nicht mit dem Schwingungsmodus zusammenhängen. Das Wesentliche der Auswahl des grundlegenden Quermodus besteht darin, den TEM00-Modus in den Schwingungszustand zu bringen, während die Schwingung des Quermodus höherer Ordnung unterdrückt wird. Daher kann der Zweck der Auswahl des Quermodus erreicht werden, indem einfach der Übertragungsverlust jedes Modus höherer Ordnung gesteuert wird. Generell gilt: Solange die Schwingungen des TEM01-Modus und des TEM10-Modus, die eine Ordnung höher sind als der grundlegende Quermodus, unterdrückt werden können, kann die Schwingung anderer Modi höherer Ordnung unterdrückt werden. Zu den gängigen Methoden gehören: Blendenmethode, Fokussierungsblendenmethode und konkav-konvexe Kavität, Modusauswahl mithilfe von Q-Switching usw. Intrakavitätsteleskopmethode,
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 während der subkontinuierlichen Arbeitszeit. Je kleiner das Verhältnis, desto höher die Frequenzstabilität. Die Frequenzreproduzierbarkeit ist die relative Frequenzänderung, wenn der Laser in unterschiedlichen Umgebungen verwendet wird. Frequenzstabilisierungsmethoden werden in passive und aktive Typen unterteilt. Die spezifischen Frequenzstabilisierungsmethoden sind: 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 im Mikrosekundenbereich. Diese Lichtimpulsfolge dauert Hunderte von Mikrosekunden oder sogar einige Zehntelsekunden 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 den Nanosekundenbereich komprimiert und die Spitzenleistung auf bis zu Gigawatt erhöht.
Q bezieht sich auf den Qualitätsfaktor des Laserresonators. Die genaue Formel lautet Q=2n*im Resonanzraum gespeicherte Energie/Energieverlust pro Schwingungszyklus.
Q-Switching-Prinzip: Zu Beginn des Pumpens wird eine bestimmte Methode verwendet, um den Resonanzhohlraum in einen Zustand mit hohem Verlust und niedrigem Q-Wert zu versetzen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schwelle der Laserschwingung 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 extrem schnell Schwingungen erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Energie der im metastabilen Zustand gespeicherten Partikel schnell in die Energie von Photonen umgewandelt. Die Photonen nehmen mit einer extrem hohen Rate zu, und der Laser kann einen Laserimpuls mit hoher Spitzenleistung und schmaler Breite ausgeben.
Da der Verlust des Resonanzhohlraums Reflexionsverlust, Absorptionsverlust, Beugungsverlust, Streuverlust und Übertragungsverlust umfasst, werden unterschiedliche Methoden zur Kontrolle verschiedener Verlustarten verwendet, um unterschiedliche Q-Switching-Technologien zu bilden. Derzeit sind die gängigen Q-Switching-Technologien: akustooptisches Q-Switching, elektrooptisches Q-Switching und Farbstoff-Q-Switching.
4. Moduskopplung:
Durch Q-Switching kann die Laserpulsbreite komprimiert werden, um Laserpulse mit einer Pulsbreite in der Größenordnung von Mikrosekunden und einer Spitzenleistung in der Größenordnung von Gigawatt zu erhalten. Die Modenkopplungstechnologie ist eine Technologie, die den Laser auf besondere Weise weiter moduliert, indem die Phase jedes im Laser oszillierenden Longitudinalmodus fixiert wird, sodass jeder Modus kohärent überlagert wird, um einen ultrakurzen Puls zu erhalten. Durch die Modenkopplungstechnologie können ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsbreite in der Größenordnung von Femtosekunden und einer Spitzenleistung von über T Watt erhalten werden. Die Modenkopplungstechnologie macht die Laserenergie zeitlich hochkonzentriert 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 die Moden inkohärent zueinander, sodass die von mehreren longitudinalen Moden abgegebene Lichtintensität die inkohärente Summe jedes longitudinalen Modes 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.
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 >= die Breite der Laserlinie; die Relaxationszeit muss kürzer sein als die Zeit, die der Puls für einen Hin- und Rückweg benötigt.
