Bu dört teknoloji birlikte ele alınmaktadır, çünkü hepsi lazer rezonans boşluğunun çıkış karakteristiklerini doğrudan etkilemektedir.
1. Mod seçimi:
Mod seçimi aslında frekans seçimidir. Çoğu lazer daha büyük çıkış enerjisi elde etmek için daha uzun rezonans boşlukları kullanır, bu da lazer çıkışını çok modlu yapar. Ancak, daha yüksek dereceli modlarla karşılaştırıldığında, temel enine mod (TEM00 modu) yüksek parlaklık, küçük sapma açısı, düzgün radyal ışık yoğunluğu dağılımı ve tek salınım frekansı özelliklerine sahiptir. En iyi mekansal ve zamansal girişime sahiptir. Bu nedenle, tek bir temel enine mod lazeri, lazer interferometrisi, spektral analiz ve lazer işleme gibi uygulamalar için çok önemli olan ideal bir tutarlı ışık kaynağıdır. Bu koşulları karşılamak için, çok modlu lazerlerde çoğu rezonans frekansının çalışmasını bastırmak için lazer salınımını sınırlama önlemleri alınmalı ve tek modlu tek frekanslı lazer çıkışı elde etmek için mod seçimi teknolojisi kullanılmalıdır.
Mod seçimi iki şekilde ayrılır: biri lazer uzunlamasına modunun seçimi; diğeri lazer enine modunun seçimidir. İlki, lazerin çıkış frekansı üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir ve lazerin tutarlılığını büyük ölçüde iyileştirebilir; ikincisi ise esas olarak lazer çıkışının ışık yoğunluğunun tekdüzeliğini etkiler ve lazerin parlaklığını iyileştirir.
1)Uzunlamasına mod seçimi: Işının monokromatikliğini ve tutarlılık uzunluğunu iyileştirmek için lazerin tek bir uzunlamasına modda çalışması gerekir. Ancak, birçok lazerde genellikle aynı anda salınan birkaç uzunlamasına mod bulunur. Bu nedenle, tek bir uzunlamasına mod lazeri tasarlamak için bir frekans seçimi yöntemi kullanılmalıdır. Yaygın yöntemler şunlardır: kısa boşluk yöntemi, Fabry-Ploy etalon yöntemi, üç ayna yöntemi, vb.
2)Enine mod seçimi: Lazer salınımının koşulu, kazanç katsayısının kayıp katsayısından büyük olmasıdır. Kayıplar, enine mod düzeniyle ilgili çizgi emisyon kayıpları ve salınım modundan bağımsız diğer kayıplar olarak ikiye ayrılabilir. Temel enine modu seçmenin özü, TEM00 modunun salınım koşullarına ulaşmasını ve daha yüksek dereceli enine modların salınımını bastırmasını sağlamaktır. Bu nedenle, enine modları seçme amacına ulaşmak için yalnızca her yüksek dereceli modun çizgi emisyon kaybını kontrol etmemiz gerekir. Genel olarak konuşursak, temel enine moddan bir derece daha yüksek olan TEM01 modu ve TEM10 modu salınımları bastırılabildiği sürece, diğer daha yüksek dereceli modların salınımları bastırılabilir. Yaygın yöntemler şunları içerir: diyafram yöntemi, odaklama diyaframı yöntemi ve boşluk içi teleskop yöntemi, içbükey-dışbükey boşluk, Q-anahtarlı mod seçimi kullanımı, vb.
2. Frekans sabitleme:
Lazer mod seçimiyle tek frekanslı salınım elde ettikten sonra, rezonans frekansı iç ve dış koşullardaki değişiklikler nedeniyle tüm doğrusal genişlik içinde hareket etmeye devam edecektir. Bu olguya "frekans kayması" denir. Kaymanın varlığı nedeniyle, lazer frekansı kararlılığı sorunu ortaya çıkar. Frekans sabitlemenin amacı, bu kontrol edilebilir faktörleri kontrol ederek salınım frekansıyla etkileşimlerini en aza indirmeye çalışmak ve böylece lazer frekansının kararlılığını iyileştirmektir.
Frekans kararlılığı iki yönü içerir: frekans kararlılığı ve frekans tekrarlanabilirliği. Frekans kararlılığı, lazerin frekans kaymasının sürekli bir çalışma süresi içindeki salınım frekansına oranını ifade eder. Oran ne kadar küçükse, frekans kararlılığı o kadar yüksektir. Frekans yeniden üretimi, lazer farklı ortamlarda kullanıldığında frekanstaki göreceli değişimdir. Frekans sabitleme yöntemleri iki türe ayrılır: pasif ve aktif. Belirli frekans sabitleme yöntemleri şunları içerir: Lamb sag yöntemi ve doygunluk emilim yöntemi.
3. Q-anahtarlama:
Genellikle, katı hal darbeli lazerler tarafından üretilen ışık darbeleri tek düzgün darbeler değil, mikro saniye aralığında değişen yoğunluk ve genişliklere sahip küçük tepe darbelerinin bir dizisidir. Bu ışık darbesi dizisi yüzlerce mikro saniye veya hatta milisaniye sürer ve tepe gücü yalnızca onlarca kilovattır; bu da lazer radarı ve lazer mesafe ölçümü gibi pratik uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamaktan uzaktır. Bu nedenle, bazı kişiler lazer darbelerinin çıkış performansını birkaç büyüklük sırasına kadar iyileştiren, darbe genişliğini nano saniye seviyesine sıkıştıran ve tepe gücünü gigavat kadar yüksek hale getiren Q-anahtarlama konseptini önermiştir.
Q, lazer rezonans boşluğunun kalite faktörünü ifade eder. Özel formül Q=2T"Rezonans boşluğunda depolanan enerji/Salınım döngüsü başına kaybedilen enerjidir.
Bu sırada, lazer salınımı Q-anahtarlama prensibi: pompalamanın başlangıcında rezonans boşluğunu yüksek kayıplı ve düşük Q değerli bir duruma getirmek için belirli bir yöntem kullanılır. Salınım eşiği çok yüksektir ve parçacık yoğunluğu ters çevirme sayısı çok yüksek bir seviyeye ulaşsa bile salınım üretmez; parçacık ters çevirme sayısı tepe değerine ulaştığında, boşluğun Q değeri aniden artar, bu da lazer ortamının kazancının eşiği büyük ölçüde aşmasına neden olur ve salınım son derece hızlı gerçekleşir. Bu sırada, metastabil durumda depolanan parçacıkların enerjisi hızla foton enerjisine dönüştürülecek ve fotonlar son derece yüksek bir oranda artacaktır. Lazer, yüksek tepe gücüne ve dar genişliğe sahip bir lazer darbesi üretebilir.
Rezonans boşluğunun kaybı yansıma kaybı, emilim kaybı, radyasyon kaybı, saçılma kaybı ve iletim kaybını içerdiğinden, farklı Q-anahtarlama teknolojileri oluşturmak için farklı kayıp türlerini kontrol etmek için farklı yöntemler kullanılır. Şu anda, yaygın Q-anahtarlama teknolojileri şunlardır: akusto-optik Q-anahtarlama, elektro-optik Q-anahtarlama ve boya Q-anahtarlama.
4. Mod kilitleme:
Q-anahtarlama, lazer darbe genişliğini sıkıştırabilir ve mikro saniye mertebesinde darbe genişliği ve gigawatt mertebesinde tepe gücü olan lazer darbeleri elde edebilir. Mod kilitleme teknolojisi, lazeri özel bir şekilde daha da modüle eden, lazerde salınan çeşitli uzunlamasına modların fazlarının sabitlenmesini zorlayan, böylece her modun ultra kısa darbeler elde etmek için tutarlı bir şekilde üst üste bindirilebildiği bir teknolojidir. Mod kilitleme teknolojisi kullanılarak, femtosaniye mertebesinde darbe genişliği ve T watt mertebesinden daha yüksek tepe gücü olan ultra kısa lazer darbeleri elde edilebilir. Mod kilitleme teknolojisi, lazer enerjisini zaman içinde oldukça yoğun hale getirir ve şu anda yüksek tepe gücü lazerleri elde etmek için en gelişmiş teknolojidir.
Mod kilitleme ilkesi: Genellikle, düzgün olmayan şekilde genişletilmiş lazerler her zaman birden fazla uzunlamasına mod üretir. Her modun frekansı ve başlangıç fazı arasında kesin bir ilişki olmadığından, her mod birbiriyle tutarsızdır, bu nedenle birden fazla uzunlamasına mod tarafından üretilen ışık yoğunluğu, her bir uzunlamasına modun tutarsız eklenmesidir. Çıkış ışık yoğunluğu zamanla düzensiz olarak dalgalanır. Mod kilitleme, rezonans boşluğunda bulunabilecek birden fazla uzunlamasına modun eşzamanlı olarak salınım yapmasına izin verir, her salınım modunun frekans aralıklarını eşit tutar ve başlangıç fazlarını sabit tutar, böylece lazer düzenli ve eşit zaman aralıklarına sahip kısa bir darbe dizisi üretir.
Mod kilitleme teknolojisi aktif mod kilitleme ve pasif mod kilitleme olarak ikiye ayrılır. Aktif mod kilitleme: rezonans boşluğuna modülasyon frekansı v=c/2L olan bir modülatör yerleştirerek lazer çıkışının genliğini ve fazını modüle edin ve her uzunlamasına modun senkron titreşimini elde edin. Pasif mod kilitleme: lazer boşluğuna doymuş emilim özelliklerine sahip bir boya kutusu yerleştirin. Doyurulabilir emilim özelliklerine sahip boya kutusunun emilim katsayısı, ışık yoğunluğunun artmasıyla azalacaktır. Lazerde, optik pompa çalışma malzemesini uyardıkça, her uzunlamasına mod rastgele meydana gelecek ve ışık alanı, bunların üst üste gelmesi nedeniyle yoğunlukta dalgalanacaktır. Bazı uzunlamasına modlar şans eseri tutarlı bir şekilde güçlendirildiğinde, daha güçlü ışık yoğunluğuna sahip parçalar belirirken, diğer parçalar daha zayıftır. Bu daha güçlü parçalar boya tarafından daha az emilir ve kayıp büyük değildir. Daha zayıf parçalar boya tarafından daha fazla emilir ve zayıflar. Işık alanının boyadan birçok kez geçmesi sonucunda, güçlü ve zayıf kısımlar açıkça ayırt edilir ve son olarak bu uzunlamasına mod tutarlı geliştirme kısımları dar darbeler biçiminde seçilir. Pasif mod kilitlemenin boya kutusunun optik özellikleri üzerinde belirli gereksinimleri vardır: boyanın emilim çizgisi lazer dalga boyuna çok yakın olmalıdır; emilim çizgisinin çizgi genişliği lazer çizgi genişliğinden büyük veya ona eşit olmalıdır; ve gevşeme süresi darbenin boşlukta ileri geri hareket etmesi için gereken zamandan daha kısa olmalıdır.
