تتم مناقشة هذه التقنيات الأربع معًا لأنها تؤثر جميعها بشكل مباشر على خصائص خرج رنين الليزر.
1. اختيار الوضع:
إن اختيار الوضع هو في الواقع اختيار التردد. تستخدم معظم الليزر تجاويف رنينية أطول للحصول على طاقة خرج أكبر، مما يجعل خرج الليزر متعدد الأوضاع. ومع ذلك، بالمقارنة مع الأوضاع ذات الترتيب الأعلى، فإن الوضع العرضي الأساسي (وضع TEM00) يتميز بسطوع عالٍ وزاوية تباعد صغيرة وتوزيع موحد لشدة الضوء الشعاعي وتردد تذبذب واحد، ولديه أفضل تداخل مكاني وزماني. لذلك، فإن الليزر ذو الوضع العرضي الأساسي الواحد هو مصدر ضوء متماسك مثالي، وهو أمر مهم للغاية لتطبيقات مثل قياس التداخل بالليزر والتحليل الطيفي ومعالجة الليزر. من أجل تلبية هذه الشروط، يجب اعتماد تدابير للحد من وضع تذبذب الليزر لقمع تشغيل معظم الترددات الرنانة في الليزر متعدد الأوضاع، واستخدام تقنية اختيار الوضع للحصول على خرج ليزر أحادي الوضع أحادي التردد.
ينقسم اختيار الوضع إلى طريقتين: الأولى هي اختيار الوضع الطولي لليزر، والثانية هي اختيار الوضع العرضي لليزر. الأول له تأثير أكبر على تردد خرج الليزر ويمكنه تحسين تماسك الليزر بشكل كبير: أما الأخير فيؤثر بشكل أساسي على توحيد شدة ضوء خرج الليزر ويحسن سطوع الليزر.
اختيار الوضع الطولي: لتحسين أحادية اللون وطول التماسك لشعاع الضوء، من الضروري جعل الليزر يعمل في وضع طولي واحد. ومع ذلك، غالبًا ما يكون لدى العديد من الليزرات عدة أوضاع طولية تتذبذب في نفس الوقت. لذلك، لتصميم ليزر وضع طولي واحد، يجب استخدام طريقة اختيار التردد. تشمل الطرق الشائعة: طريقة التجويف القصير، وطريقة فابري-بولوف إيتالون، وطريقة العاكس الثلاثي، وما إلى ذلك.
2) اختيار الوضع المستعرض: الشرط لتذبذب الليزر هو أن يكون معامل الكسب أكبر من معامل الخسارة. يمكن تقسيم الخسارة إلى خسارة حيود مرتبطة بترتيب الوضع المستعرض وخسائر أخرى غير مرتبطة بنمط التذبذب. جوهر اختيار الوضع المستعرض الأساسي هو جعل وضع TEM00 يصل إلى حالة التذبذب، بينما يتم قمع تذبذب الوضع المستعرض من الدرجة الأعلى. لذلك، يمكن تحقيق الغرض من اختيار الوضع المستعرض ببساطة عن طريق التحكم في خسارة الإرسال لكل وضع من الدرجة الأعلى. بشكل عام، طالما يمكن قمع تذبذبات وضع TEM01 ووضع TEM10 التي تكون أعلى بمقدار مرتبة واحدة من الوضع المستعرض الأساسي، يمكن قمع تذبذب الأوضاع الأخرى من الدرجة الأعلى. تشمل الطرق الشائعة: طريقة الفتحة، وطريقة فتحة التركيز والتجويف المقعر المحدب، واختيار الوضع باستخدام التبديل Q، إلخ. طريقة التلسكوب داخل التجويف،
2. تثبيت التردد:
بعد أن يحصل الليزر على تذبذب تردد واحد من خلال اختيار الوضع، بسبب التغيرات في الظروف الداخلية والخارجية، سيظل التردد الرنان يتحرك داخل العرض الخطي بالكامل. تسمى هذه الظاهرة "انجراف التردد". بسبب وجود الانجراف، تنشأ مشكلة استقرار تردد الليزر. الغرض من تثبيت التردد هو محاولة التحكم في هذه العوامل القابلة للتحكم لتقليل تداخلها مع تردد التذبذب، وبالتالي تحسين استقرار تردد الليزر.
يتضمن استقرار التردد جانبين: استقرار التردد وقابلية إعادة إنتاج التردد. يشير استقرار التردد إلى نسبة انجراف تردد الليزر إلى تردد التذبذب أثناء وقت العمل شبه المستمر. كلما كانت النسبة أصغر، زاد استقرار التردد. قابلية إعادة إنتاج التردد هي التغير النسبي في التردد عند استخدام الليزر في بيئات مختلفة. تنقسم طرق تثبيت التردد إلى أنواع سلبية ونشطة. طرق تثبيت التردد المحددة هي: طريقة ترهل لامب وطريقة امتصاص التشبع.
3. التبديل Q:
بشكل عام، لا تكون نبضات الضوء الصادرة عن ليزر النبضات ذات الحالة الصلبة نبضات سلسة مفردة، بل عبارة عن سلسلة من نبضات الأشواك الصغيرة ذات شدة مختلفة على مستوى الميكروثانية. تستمر سلسلة نبضات الضوء هذه لمئات الميكروثانية أو حتى بضعة أعشار الثانية، وتصل قوتها القصوى إلى عشرات الكيلووات فقط، وهو ما لا يفي باحتياجات التطبيقات العملية مثل رادار الليزر وقياس المسافات بالليزر. لهذا السبب، اقترح بعض الأشخاص مفهوم Q-switching، الذي أدى إلى تحسين أداء خرج نبضات الليزر بعدة أوامر من حيث الحجم، وضغط عرض النبضة إلى مستوى النانوثانية، وتصل قوة الذروة إلى جيجاوات.
يشير Q إلى عامل جودة تجويف الرنين بالليزر. والصيغة المحددة هي Q=2n*الطاقة المخزنة في تجويف الرنين/الطاقة المفقودة لكل دورة تذبذب.
مبدأ التبديل Q: يتم استخدام طريقة معينة لجعل تجويف الرنين في حالة خسارة عالية وقيمة Q منخفضة في بداية الضخ. في هذا الوقت، تكون عتبة تذبذب الليزر عالية جدًا، وحتى إذا تراكم رقم انعكاس كثافة الجسيمات إلى مستوى مرتفع جدًا، فلن ينتج عنه تذبذب: عندما يصل رقم انعكاس الجسيمات إلى قيمة الذروة، تزداد قيمة Q للتجويف فجأة، مما سيؤدي إلى تجاوز مكسب وسط الليزر للعتبة بشكل كبير وإنتاج تذبذبات بسرعة كبيرة. في هذا الوقت، سيتم تحويل طاقة الجسيمات المخزنة في الحالة غير المستقرة بسرعة إلى طاقة الفوتونات. تزداد الفوتونات بمعدل مرتفع للغاية، ويمكن لليزر إخراج نبضة ليزر بقوة ذروة عالية وعرض ضيق.
نظرًا لأن فقدان تجويف الرنين يشمل فقدان الانعكاس وفقدان الامتصاص وفقدان الانعراج وفقدان التشتت وفقدان النقل، يتم استخدام طرق مختلفة للتحكم في أنواع مختلفة من الخسائر لتشكيل تقنيات تبديل Q مختلفة. حاليًا، تقنيات تبديل Q الشائعة هي: تبديل Q الصوتي البصري، والتبديل Q الكهروضوئي، والتبديل Q الصبغي.
4. قفل الوضع:
يمكن للتبديل Q ضغط عرض نبضة الليزر للحصول على نبضات ليزر بعرض نبضة من رتبة ميكروثانية وقوة ذروة من رتبة جيجاوات. تقنية قفل الوضع هي تقنية تعمل على تعديل الليزر بشكل إضافي بطريقة خاصة، مما يجبر طور كل وضع طولي متذبذب في الليزر على أن يكون ثابتًا، بحيث يتم فرض كل وضع بشكل متماسك للحصول على نبضة فائقة القصر. باستخدام تقنية قفل الوضع، يمكن الحصول على نبضات ليزر فائقة القصر بعرض نبضة من رتبة فيمتو ثانية وقوة ذروة أعلى من رتبة T واط. تجعل تقنية قفل الوضع طاقة الليزر مركزة للغاية في الوقت وهي حاليًا أكثر التقنيات تقدمًا للحصول على ليزر عالي الطاقة القصوى.
مبدأ قفل الوضع: بشكل عام، تنتج أشعة الليزر ذات العرض غير المنتظم دائمًا أوضاعًا طولية متعددة. نظرًا لعدم وجود علاقة محددة بين التردد والمرحلة الأولية لكل وضع، فإن الأوضاع غير متماسكة مع بعضها البعض، وبالتالي فإن شدة الضوء الناتجة عن الأوضاع الطولية المتعددة هي الإضافة غير المتماسكة لكل وضع طولي. تتقلب شدة الضوء الناتجة بشكل غير منتظم بمرور الوقت. يسمح قفل الوضع للأوضاع الطولية المتعددة التي قد توجد في التجويف الرنان بالتذبذب بشكل متزامن، ويحافظ على فترات التردد لكل وضع تذبذب متساوية ويحافظ على ثبات أطوارها الأولية، بحيث يخرج الليزر تسلسل نبضات قصير بفواصل زمنية منتظمة ومتساوية.
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 الليزر؛ يجب أن يكون وقت الاسترخاء أقصر من الوقت الذي تستغرقه النبضة للانتقال ذهابًا وإيابًا مرة واحدة.
