Aquestes quatre tecnologies es comenten conjuntament perquè totes afecten directament les característiques de sortida de la cavitat ressonant làser.
1. Selecció del mode:
La selecció del mode és en realitat una selecció de freqüència. La majoria dels làsers utilitzen cavitats ressonants més llargues per obtenir una energia de sortida més gran, cosa que fa que la sortida làser sigui multimode. Tanmateix, en comparació amb els modes d'ordre superior, el mode transversal fonamental (mode TEM00) té les característiques d'alta brillantor, angle de divergència petit, distribució uniforme de la intensitat de la llum radial i freqüència d'oscil·lació única. Té la millor interferència espacial i temporal. Per tant, un únic làser de mode transversal fonamental és una font de llum coherent ideal, que és molt important per a aplicacions com ara interferometria làser, anàlisi espectral i processament làser. Per complir aquestes condicions, s'han d'adoptar mesures per limitar l'oscil·lació làser per suprimir el funcionament de la majoria de freqüències de ressonància en làsers multimode i utilitzar la tecnologia de selecció de modes per obtenir una sortida làser monomode d'una freqüència.
La selecció del mode es divideix de dues maneres: una és la selecció del mode longitudinal làser; l'altre és la selecció del mode transversal làser. El primer té un impacte més gran en la freqüència de sortida del làser i pot millorar molt la coherència del làser; aquest últim afecta principalment la uniformitat de la intensitat de la llum de la sortida del làser i millora la brillantor del làser.
1)Selecció del mode longitudinal: per millorar la monocromaticitat i la longitud de la coherència del feix, el làser ha de funcionar en un únic mode longitudinal. No obstant això, molts làsers sovint tenen diversos modes longitudinals que oscil·len al mateix temps. Per tant, per dissenyar un làser de mode longitudinal únic, s'ha d'utilitzar un mètode de selecció de freqüència. Els mètodes comuns inclouen: mètode de cavitat curta, mètode d'etaló Fabry-Ploy, mètode de tres miralls, etc.
2)Selecció de mode transversal: la condició per a l'oscil·lació làser és que el coeficient de guany ha de ser més gran que el coeficient de pèrdua. Les pèrdues es poden dividir en pèrdues d'emissió de línia relacionades amb l'ordre del mode transversal i altres pèrdues independents del mode d'oscil·lació. L'essència de seleccionar el mode transversal fonamental és fer que el mode TEM00 assoleixi condicions d'oscil·lació i suprimir l'oscil·lació dels modes transversals d'ordre superior. Per tant, només hem de controlar la pèrdua d'emissió de línia de cada mode d'ordre alt per aconseguir el propòsit de seleccionar modes transversals. En termes generals, sempre que es puguin suprimir les oscil·lacions del mode TEM01 i del mode TEM10 que siguin un ordre superior al mode transversal fonamental, es poden suprimir les oscil·lacions d'altres modes d'ordre superior. Els mètodes comuns inclouen: mètode d'obertura, mètode d'obertura d'enfocament i mètode de telescopi intra-cavitat, cavitat còncava-convexa, utilitzant la selecció del mode Q-switched, etc.
2. Estabilització de freqüència:
Després que el làser obtingui una oscil·lació d'una sola freqüència mitjançant la selecció del mode, la freqüència de ressonància encara es mourà dins de tota l'amplada lineal a causa dels canvis en les condicions internes i externes. Aquest fenomen s'anomena "deriva de freqüència". A causa de l'existència de la deriva, sorgeix el problema de l'estabilitat de la freqüència làser. L'objectiu de l'estabilització de freqüència és intentar controlar aquests factors controlables per minimitzar la seva interferència amb la freqüència d'oscil·lació, millorant així l'estabilitat de la freqüència làser.
L'estabilitat de la freqüència inclou dos aspectes: l'estabilitat de la freqüència i la reproductibilitat de la freqüència. L'estabilitat de freqüència es refereix a la relació entre la deriva de freqüència del làser i la freqüència d'oscil·lació en un temps de treball continu. Com més petita sigui la relació, més gran serà l'estabilitat de la freqüència. La reproducció de la freqüència és el canvi relatiu de freqüència quan el làser s'utilitza en diferents entorns. Els mètodes d'estabilització de freqüència es divideixen en dos tipus: passius i actius. Els mètodes específics d'estabilització de la freqüència inclouen: mètode de flac de xai i mètode d'absorció de saturació.
3. Canvi Q:
En general, els polsos de llum emesos pels làsers de pols d'estat sòlid no són polsos suaus únics, sinó una seqüència de polsos pics petits amb intensitats i amplades variables en el rang de microsegons. Aquesta seqüència de pols de llum dura centenars de microsegons o fins i tot mil·lisegons, i la seva potència màxima és de només desenes de quilowatts, la qual cosa està lluny de satisfer les necessitats d'aplicacions pràctiques com ara el radar làser i l'abast làser. Per aquest motiu, algunes persones han proposat el concepte de commutació Q, que ha millorat el rendiment de sortida dels polsos làser en diversos ordres de magnitud, ha comprimit l'amplada del pols fins al nivell de nanosegons i la potència màxima és tan alta com gigawatts.
Q es refereix al factor de qualitat de la cavitat ressonant làser. La fórmula específica és Q=2T"Energia emmagatzemada a la cavitat ressonant/Energia perduda per cicle d'oscil·lació.
En aquest moment, el principi de commutació Q d'oscil·lació làser: s'utilitza un mètode determinat per fer que la cavitat ressonant estigui en un estat de gran pèrdua i de valor Q baix al començament del bombeig. El llindar d'oscil·lació és molt alt, i fins i tot si el nombre d'inversió de la densitat de partícules s'acumula a un nivell molt alt, no produirà oscil·lació; quan el nombre d'inversió de partícules arriba al valor màxim, el valor Q de la cavitat augmenta sobtadament, cosa que farà que el guany del medi làser superi molt el llindar i l'oscil·lació es produirà molt ràpidament. En aquest moment, l'energia de les partícules emmagatzemades en estat metaestable es convertirà ràpidament en energia de fotons i els fotons augmentaran a una velocitat extremadament alta. El làser pot emetre un pols làser amb una potència màxima alta i una amplada estreta.
Com que la pèrdua de la cavitat ressonant inclou la pèrdua de reflexió, la pèrdua d'absorció, la pèrdua de radiació, la pèrdua de dispersió i la pèrdua de transmissió, s'utilitzen diferents mètodes per controlar diferents tipus de pèrdues per formar diferents tecnologies de commutació Q. Actualment, les tecnologies comunes de commutació Q són: commutació Q acústo-òptica, commutació Q electro-òptica i commutació Q de colorant.
4. Bloqueig del mode:
La commutació Q pot comprimir l'amplada del pols làser i obtenir polsos làser amb una amplada de pols de l'ordre de microsegons i una potència màxima de l'ordre dels gigawatts. La tecnologia de bloqueig de mode és una tecnologia que modula encara més el làser d'una manera especial, obligant a fixar les fases dels diferents modes longitudinals que oscil·len en el làser, de manera que cada mode es pugui superposar de manera coherent per obtenir polsos ultracurts. Mitjançant la tecnologia de bloqueig de mode, es poden obtenir polsos làser ultracurts amb una amplada de pols de l'ordre de femtosegons i una potència màxima superior a l'ordre de T watts. La tecnologia de bloqueig de mode fa que l'energia del làser estigui altament concentrada en el temps i actualment és la tecnologia més avançada per obtenir làsers d'alta potència pic.
Principi de bloqueig del mode: generalment, els làsers ampliats de manera no uniforme sempre produeixen múltiples modes longitudinals. Com que no hi ha una relació definida entre la freqüència i la fase inicial de cada mode, cada mode és incoherent entre si, de manera que la intensitat de llum produïda per diversos modes longitudinals és l'addició incoherent de cada mode longitudinal. La intensitat de la llum de sortida fluctua de manera irregular amb el temps. El bloqueig del mode permet que els múltiples modes longitudinals que puguin existir a la cavitat ressonant oscil·lin de manera sincrònica, manté iguals els intervals de freqüència de cada mode d'oscil·lació i manté constants les seves fases inicials, de manera que el làser emet una seqüència de polsos curta amb intervals regulars i iguals en el temps.
La tecnologia de bloqueig del mode es divideix en bloqueig en mode actiu i bloqueig en mode passiu. Bloqueig del mode actiu: inseriu un modulador amb una freqüència de modulació v=c/2L a la cavitat ressonant per modular l'amplitud i la fase de la sortida del làser per aconseguir la vibració sincrònica de cada mode longitudinal. Bloqueig en mode passiu: inseriu una caixa de tint amb característiques d'absorció saturada a la cavitat làser. El coeficient d'absorció de la caixa de colorants amb característiques d'absorció saturables disminuirà amb l'augment de la intensitat de la llum. En el làser, a mesura que la bomba òptica excita el material de treball, cada mode longitudinal es produirà de manera aleatòria i el camp de llum fluctuarà en intensitat a causa de la seva superposició. Quan alguns modes longitudinals es milloren de manera coherent per casualitat, apareixen parts amb una intensitat de llum més forta, mentre que altres parts són més febles. Aquestes parts més fortes són absorbides menys pel colorant i la pèrdua no és gran. Les parts més febles són absorbides més pel colorant i es tornen més febles. Com a resultat del camp de llum que travessa el colorant moltes vegades, es distingeixen clarament les parts fortes i febles i, finalment, aquestes parts de millora coherents en mode longitudinal es seleccionen en forma de polsos estrets. El bloqueig en mode passiu té certs requisits sobre les propietats òptiques de la caixa del colorant: la línia d'absorció del colorant ha d'estar molt a prop de la longitud d'ona del làser; l'amplada de línia de la línia d'absorció ha de ser superior o igual a l'amplada de la línia làser; i el temps de relaxació ha de ser més curt que el que triga el pols a viatjar d'anada i tornada a la cavitat.
