เทคโนโลยีทั้งสี่นี้จะนำมาหารือกันเนื่องจากทั้งหมดส่งผลโดยตรงต่อลักษณะเอาต์พุตของโพรงเรโซแนนซ์เลเซอร์
1. การเลือกโหมด:
การเลือกโหมดเป็นการเลือกความถี่ เลเซอร์ส่วนใหญ่ใช้โพรงเรโซแนนซ์ที่ยาวกว่าเพื่อให้ได้พลังงานเอาต์พุตที่มากขึ้น ซึ่งทำให้เอาต์พุตเลเซอร์เป็นโหมดหลายโหมด อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับโหมดลำดับสูง โหมดทรานสเวิร์สพื้นฐาน (TEM00) มีคุณลักษณะของความสว่างสูง มุมแยกออกเล็ก การกระจายความเข้มแสงในแนวรัศมีสม่ำเสมอ และความถี่การสั่นเดียว โหมดนี้มีการรบกวนในเชิงพื้นที่และเวลาที่ดีที่สุด ดังนั้น เลเซอร์ทรานสเวิร์สพื้นฐานตัวเดียวจึงเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกันในอุดมคติ ซึ่งมีความสำคัญมากสำหรับการใช้งาน เช่น การรบกวนด้วยเลเซอร์ การวิเคราะห์สเปกตรัม และการประมวลผลด้วยเลเซอร์ เพื่อตอบสนองเงื่อนไขเหล่านี้ จำเป็นต้องใช้มาตรการจำกัดการสั่นของเลเซอร์เพื่อระงับการทำงานของความถี่เรโซแนนซ์ส่วนใหญ่ในเลเซอร์หลายโหมด และใช้เทคโนโลยีการเลือกโหมดเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ความถี่เดียวโหมดเดียว
การเลือกโหมดแบ่งออกเป็นสองวิธี วิธีหนึ่งคือการเลือกโหมดเลเซอร์ตามยาว อีกวิธีหนึ่งคือการเลือกโหมดเลเซอร์ตามขวาง วิธีแรกมีผลกระทบต่อความถี่เอาต์พุตของเลเซอร์มากกว่าและสามารถปรับปรุงความสอดคล้องของเลเซอร์ได้อย่างมาก วิธีหลังส่งผลต่อความสม่ำเสมอของความเข้มแสงของเอาต์พุตเลเซอร์เป็นหลักและปรับปรุงความสว่างของเลเซอร์
1)การเลือกโหมดตามยาว: เพื่อปรับปรุงความเป็นเอกภาพและความยาวที่สอดคล้องกันของลำแสง เลเซอร์จำเป็นต้องทำงานในโหมดตามยาวเดียว อย่างไรก็ตาม เลเซอร์จำนวนมากมักจะมีโหมดตามยาวหลายโหมดที่แกว่งในเวลาเดียวกัน ดังนั้น เพื่อออกแบบเลเซอร์โหมดตามยาวตัวเดียว จำเป็นต้องใช้วิธีการเลือกความถี่ วิธีการทั่วไป ได้แก่ วิธีโพรงสั้น วิธี Fabry-Ploy etalon วิธีกระจกสามบาน เป็นต้น
2)การเลือกโหมดตามขวาง: เงื่อนไขสำหรับการสั่นของเลเซอร์คือค่าสัมประสิทธิ์เกนจะต้องมากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสีย การสูญเสียสามารถแบ่งออกเป็นการสูญเสียการปล่อยเส้นที่เกี่ยวข้องกับลำดับโหมดตามขวางและการสูญเสียอื่น ๆ ที่ไม่ขึ้นอยู่กับโหมดการสั่น สาระสำคัญของการเลือกโหมดตามขวางพื้นฐานคือการทำให้โหมด TEM00 เข้าถึงเงื่อนไขการสั่นและระงับการสั่นของโหมดตามขวางลำดับที่สูงกว่า ดังนั้น เราจำเป็นต้องควบคุมการสูญเสียการปล่อยเส้นของแต่ละโหมดลำดับสูงเท่านั้นเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเลือกโหมดตามขวาง โดยทั่วไป ตราบใดที่การสั่นของโหมด TEM01 และโหมด TEM10 ที่สูงกว่าโหมดตามขวางพื้นฐานหนึ่งลำดับสามารถระงับได้ การสั่นของโหมดลำดับที่สูงกว่าอื่น ๆ ก็สามารถระงับได้ วิธีทั่วไป ได้แก่ วิธีรูรับแสง วิธีรูรับแสงโฟกัสและวิธีกล้องโทรทรรศน์ภายในโพรง โพรงเว้า-นูน การใช้การเลือกโหมด Q-switched เป็นต้น
2. การรักษาเสถียรภาพความถี่:
หลังจากที่เลเซอร์ได้รับความสั่นสะเทือนความถี่เดียวผ่านการเลือกโหมด ความถี่เรโซแนนซ์จะยังคงเคลื่อนที่ภายในความกว้างเชิงเส้นทั้งหมดเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในเงื่อนไขภายในและภายนอก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "การดริฟต์ความถี่" เนื่องจากการดริฟต์นี้ทำให้เกิดปัญหาเสถียรภาพความถี่เลเซอร์ จุดประสงค์ของการรักษาเสถียรภาพความถี่คือเพื่อพยายามควบคุมปัจจัยที่ควบคุมได้เหล่านี้เพื่อลดการรบกวนกับความถี่การสั่น จึงปรับปรุงเสถียรภาพความถี่เลเซอร์
เสถียรภาพความถี่ประกอบด้วยสองด้าน: เสถียรภาพความถี่และความสามารถในการทำซ้ำความถี่ เสถียรภาพความถี่หมายถึงอัตราส่วนของค่าดริฟท์ความถี่ของเลเซอร์ต่อความถี่การสั่นภายในระยะเวลาการทำงานต่อเนื่อง ยิ่งอัตราส่วนน้อย เสถียรภาพความถี่ก็จะยิ่งสูงขึ้น การสร้างความถี่ซ้ำคือการเปลี่ยนแปลงความถี่สัมพัทธ์เมื่อใช้เลเซอร์ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน วิธีการสร้างเสถียรภาพความถี่แบ่งออกเป็นสองประเภท: แบบพาสซีฟและแบบแอ็คทีฟ วิธีการสร้างเสถียรภาพความถี่เฉพาะ ได้แก่ วิธี Lamb Sag และวิธีการดูดซับความอิ่มตัว
3. การสลับคิว:
โดยทั่วไป พัลส์แสงที่ส่งออกโดยเลเซอร์พัลส์โซลิดสเตตไม่ใช่พัลส์เรียบเดี่ยว แต่เป็นลำดับของพัลส์พีคขนาดเล็กที่มีความเข้มและความกว้างที่แตกต่างกันในช่วงไมโครวินาที ลำดับพัลส์แสงนี้กินเวลานานหลายร้อยไมโครวินาทีหรือแม้กระทั่งมิลลิวินาที และกำลังพีคมีเพียงสิบกิโลวัตต์ ซึ่งห่างไกลจากความต้องการของการใช้งานจริง เช่น เรดาร์เลเซอร์และการวัดระยะด้วยเลเซอร์ ด้วยเหตุนี้ บางคนจึงเสนอแนวคิด Q-switching ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งออกของพัลส์เลเซอร์ได้หลายระดับ บีบอัดความกว้างของพัลส์ให้เหลือระดับนาโนวินาที และกำลังพีคสูงถึงกิกะวัตต์
Q หมายถึงปัจจัยคุณภาพของโพรงเรโซแนนซ์เลเซอร์ สูตรเฉพาะคือ Q=2T"พลังงานที่เก็บไว้ในโพรงเรโซแนนซ์/พลังงานที่สูญเสียต่อรอบการสั่น
ในขณะนี้ หลักการของการสลับ Q ของการสั่นของเลเซอร์: ใช้วิธีการบางอย่างเพื่อทำให้โพรงเรโซแนนซ์อยู่ในสถานะการสูญเสียสูงและค่า Q ต่ำในช่วงเริ่มต้นของการสูบ เกณฑ์ของการสั่นนั้นสูงมาก และแม้ว่าหมายเลขการกลับด้านความหนาแน่นของอนุภาคจะสะสมถึงระดับที่สูงมาก ก็จะไม่เกิดการสั่น เมื่อหมายเลขการกลับด้านของอนุภาคถึงค่าสูงสุด ค่า Q ของโพรงจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน ซึ่งจะทำให้ค่าเกนของตัวกลางเลเซอร์เกินเกณฑ์อย่างมาก และการสั่นจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ในขณะนี้ พลังงานของอนุภาคที่เก็บไว้ในสถานะกึ่งเสถียรจะถูกแปลงเป็นพลังงานของโฟตอนอย่างรวดเร็ว และโฟตอนจะเพิ่มขึ้นในอัตราที่สูงมาก เลเซอร์สามารถส่งพัลส์เลเซอร์ด้วยกำลังสูงสุดที่สูงและความกว้างที่แคบ
เนื่องจากการสูญเสียของโพรงเรโซแนนซ์ประกอบด้วยการสูญเสียการสะท้อน การสูญเสียการดูดกลืน การสูญเสียการแผ่รังสี การสูญเสียการกระเจิง และการสูญเสียการส่งผ่าน จึงมีการใช้วิธีการที่แตกต่างกันเพื่อควบคุมการสูญเสียประเภทต่างๆ เพื่อสร้างเทคโนโลยี Q-switching ที่แตกต่างกัน ในปัจจุบัน เทคโนโลยี Q-switching ทั่วไป ได้แก่ Q-switching แบบอะคูสติกออปติก Q-switching แบบอิเล็กโทรออปติก และ Q-switching แบบสีย้อม
4. การล็อคโหมด:
การสลับ Q สามารถบีบอัดความกว้างพัลส์เลเซอร์และรับพัลส์เลเซอร์ที่มีความกว้างพัลส์ในระดับไมโครวินาทีและกำลังสูงสุดในระดับกิกะวัตต์ เทคโนโลยีการล็อกโหมดเป็นเทคโนโลยีที่ปรับเปลี่ยนเลเซอร์เพิ่มเติมในลักษณะพิเศษ โดยบังคับให้เฟสของโหมดตามยาวต่างๆ ที่แกว่งไปมาในเลเซอร์คงที่ เพื่อให้สามารถซ้อนทับกันอย่างสอดคล้องกันเพื่อให้ได้พัลส์อัลตราสั้น การใช้เทคโนโลยีการล็อกโหมดทำให้ได้พัลส์เลเซอร์อัลตราสั้นที่มีความกว้างพัลส์ในระดับเฟมโตวินาทีและกำลังสูงสุดที่สูงกว่าระดับ T วัตต์ เทคโนโลยีการล็อกโหมดทำให้พลังงานเลเซอร์มีความเข้มข้นสูงในเวลา และปัจจุบันเป็นเทคโนโลยีขั้นสูงที่สุดสำหรับการรับเลเซอร์ที่มีกำลังสูงสุดสูง
หลักการล็อกโหมด: โดยทั่วไป เลเซอร์ที่ขยายไม่เท่ากันจะสร้างโหมดตามยาวหลายโหมดเสมอ เนื่องจากไม่มีความสัมพันธ์ที่แน่นอนระหว่างความถี่และเฟสเริ่มต้นของแต่ละโหมด โหมดแต่ละโหมดจึงไม่สอดคล้องกัน ดังนั้นความเข้มของแสงที่ส่งออกโดยโหมดตามยาวหลายโหมดจึงเป็นการเพิ่มแบบไม่สอดคล้องกันของโหมดตามยาวแต่ละโหมด ความเข้มของแสงที่ส่งออกจะผันผวนไม่สม่ำเสมอเมื่อเวลาผ่านไป การล็อกโหมดช่วยให้โหมดตามยาวหลายโหมดที่อาจอยู่ในโพรงเรโซแนนซ์แกว่งไปมาพร้อมกัน รักษาช่วงความถี่ของโหมดการแกว่งแต่ละโหมดให้เท่ากัน และรักษาเฟสเริ่มต้นให้คงที่ ดังนั้น เลเซอร์จึงส่งออกลำดับพัลส์สั้นๆ ที่มีช่วงเวลาสม่ำเสมอและเท่ากันในเวลา
เทคโนโลยีการล็อกโหมดแบ่งออกเป็นการล็อกโหมดแอ็คทีฟและการล็อกโหมดพาสซีฟ การล็อกโหมดแอ็คทีฟ: ใส่โมดูเลเตอร์ที่มีความถี่การมอดูเลชั่น v=c/2L เข้าไปในโพรงเรโซแนนซ์เพื่อปรับแอมพลิจูดและเฟสของเอาต์พุตเลเซอร์เพื่อให้ได้การสั่นสะเทือนแบบซิงโครนัสของโหมดตามยาวแต่ละโหมด การล็อกโหมดพาสซีฟ: ใส่กล่องสีย้อมที่มีลักษณะการดูดซับแบบอิ่มตัวเข้าไปในโพรงเลเซอร์ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับของกล่องสีย้อมที่มีลักษณะการดูดซับแบบอิ่มตัวจะลดลงเมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้น ในเลเซอร์ เมื่อปั๊มออปติคอลกระตุ้นวัสดุทำงาน โหมดตามยาวแต่ละโหมดจะเกิดขึ้นแบบสุ่ม และสนามแสงจะผันผวนในความเข้มเนื่องจากการซ้อนทับ เมื่อโหมดตามยาวบางโหมดได้รับการเสริมความสอดคล้องกันโดยบังเอิญ ส่วนที่มีความเข้มของแสงที่แรงกว่าจะปรากฏขึ้นในขณะที่ส่วนอื่นๆ จะอ่อนกว่า ส่วนที่แข็งแกร่งเหล่านี้จะถูกสีย้อมดูดซับน้อยลงและการสูญเสียจะไม่มาก ส่วนที่อ่อนแอกว่าจะถูกสีย้อมดูดซับมากขึ้นและอ่อนลง เนื่องจากสนามแสงผ่านสีย้อมหลายครั้ง จึงสามารถแยกแยะส่วนที่แข็งแกร่งและอ่อนแอได้อย่างชัดเจน และในที่สุด ชิ้นส่วนเสริมความสอดคล้องตามโหมดตามยาวเหล่านี้จะถูกเลือกในรูปแบบพัลส์แคบ การล็อกโหมดพาสซีฟมีข้อกำหนดบางประการเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแสงของกล่องสีย้อม: เส้นการดูดซับของสีย้อมจะต้องใกล้เคียงกับความยาวคลื่นเลเซอร์มาก ความกว้างของเส้นการดูดซับจะต้องมากกว่าหรือเท่ากับความกว้างของเส้นเลเซอร์ และเวลาผ่อนคลายจะต้องสั้นกว่าเวลาที่พัลส์ใช้ในการเดินทางไปมาในโพรง
