Keempat teknologi ini dibahas bersama karena semuanya secara langsung mempengaruhi karakteristik keluaran resonansi laser.
1. Pemilihan modus:
Pemilihan mode sebenarnya adalah pemilihan frekuensi. Kebanyakan laser menggunakan rongga resonansi yang lebih panjang untuk memperoleh energi keluaran yang lebih besar, yang menjadikan keluaran laser multi-mode. Namun dibandingkan dengan mode orde tinggi, mode transversal fundamental (mode TEM00) memiliki karakteristik kecerahan tinggi, sudut divergensi kecil, distribusi intensitas cahaya radial seragam, dan frekuensi osilasi tunggal, serta memiliki spasial dan terbaik gangguan sementara. Oleh karena itu, laser mode transversal fundamental tunggal merupakan sumber cahaya koheren yang ideal, yang sangat penting untuk aplikasi seperti interferometri laser, analisis spektral, dan pemrosesan laser. Untuk memenuhi kondisi ini, langkah-langkah untuk membatasi mode osilasi laser harus diambil untuk menekan pengoperasian sebagian besar frekuensi resonansi pada laser multi-mode, dan menggunakan teknologi pemilihan mode untuk mendapatkan keluaran laser frekuensi tunggal mode tunggal.
Pemilihan mode dibagi menjadi dua cara: satu adalah pemilihan mode laser longitudinal, dan yang lainnya adalah pemilihan mode laser transversal. Yang pertama memiliki dampak yang lebih besar pada frekuensi keluaran laser dan dapat sangat meningkatkan koherensi laser: yang terakhir terutama mempengaruhi keseragaman intensitas cahaya keluaran laser dan meningkatkan kecerahan laser.
Pemilihan mode longitudinal: Untuk meningkatkan monokromatisitas dan koherensi panjang berkas cahaya, laser perlu dibuat dalam mode longitudinal tunggal. Namun, banyak laser sering kali memiliki beberapa mode longitudinal yang berosilasi pada waktu yang bersamaan. Oleh karena itu, untuk merancang laser mode longitudinal tunggal, metode pemilihan frekuensi harus digunakan. Metode umum meliputi: metode rongga pendek, metode etalon Fabry-Pulloff, metode tiga reflektor, dll.
2) Pemilihan mode melintang: Syarat osilasi laser adalah koefisien penguatan harus lebih besar dari koefisien kerugian. Kerugian tersebut dapat dibagi menjadi kerugian difraksi yang berhubungan dengan tatanan mode transversal dan kerugian lain yang tidak berhubungan dengan mode osilasi. Inti dari pemilihan mode transversal mendasar adalah membuat mode TEM00 mencapai kondisi osilasi, sedangkan osilasi mode transversal orde tinggi ditekan. Oleh karena itu, tujuan pemilihan mode transversal dapat dicapai hanya dengan mengontrol kehilangan transmisi dari setiap mode tingkat tinggi. Secara umum, selama osilasi mode TEM01 dan mode TEM10 yang satu tingkat lebih tinggi dari mode transversal fundamental dapat ditekan, osilasi mode tingkat tinggi lainnya dapat ditekan. Metode umum meliputi: metode bukaan, metode bukaan fokus dan rongga cekung-cembung, pemilihan mode menggunakan Q-switching, dll. Metode teleskop intracavity,
2. Stabilisasi frekuensi:
Setelah laser memperoleh osilasi frekuensi tunggal melalui pemilihan mode, karena perubahan kondisi internal dan eksternal, frekuensi resonansi akan tetap bergerak dalam seluruh lebar linier. Fenomena ini disebut “frekuensi drift”. Karena adanya penyimpangan, timbul masalah kestabilan frekuensi laser. Tujuan dari stabilisasi frekuensi adalah untuk mencoba mengendalikan faktor-faktor yang dapat dikontrol ini untuk meminimalkan gangguannya terhadap frekuensi osilasi, sehingga meningkatkan stabilitas frekuensi laser.
Stabilitas frekuensi mencakup dua aspek: stabilitas frekuensi dan reproduktifitas frekuensi. Stabilitas frekuensi mengacu pada rasio penyimpangan frekuensi laser terhadap frekuensi osilasi selama waktu kerja sub-kontinyu. Semakin kecil rasionya, semakin tinggi kestabilan frekuensinya. Reproduksibilitas frekuensi adalah perubahan frekuensi relatif ketika laser digunakan di lingkungan yang berbeda. Metode stabilisasi frekuensi dibagi menjadi tipe pasif dan aktif. Metode stabilisasi frekuensi spesifik adalah: Metode Lamb sag dan metode penyerapan saturasi.
3. Peralihan Q:
Umumnya, pulsa cahaya yang dihasilkan oleh laser pulsa solid-state bukanlah pulsa halus tunggal, melainkan rangkaian pulsa lonjakan kecil dengan intensitas berbeda pada tingkat mikrodetik. Rangkaian pulsa cahaya ini berlangsung selama ratusan mikrodetik atau bahkan sepersepuluh detik, dan daya puncaknya hanya puluhan kilowatt, jauh dari memenuhi kebutuhan aplikasi praktis seperti radar laser dan jangkauan laser. Oleh karena itu, beberapa orang telah mengusulkan konsep Q-switching, yang telah meningkatkan kinerja keluaran pulsa laser beberapa kali lipat, mengompresi lebar pulsa ke tingkat nanodetik, dan daya puncak setinggi gigawatt.
Q mengacu pada faktor kualitas rongga resonansi laser. Rumus spesifiknya adalah Q=2n*energi yang disimpan dalam rongga resonansi/energi yang hilang per siklus osilasi.
Prinsip peralihan Q: Metode tertentu digunakan untuk membuat rongga resonansi dalam keadaan nilai kerugian tinggi dan nilai Q rendah pada awal pemompaan. Pada saat ini, ambang osilasi laser sangat tinggi, dan bahkan jika bilangan inversi kepadatan partikel terakumulasi ke tingkat yang sangat tinggi, ia tidak akan menghasilkan osilasi: ketika bilangan inversi partikel mencapai nilai puncak, nilai Q rongga tiba-tiba meningkat, yang akan menyebabkan penguatan media laser melebihi ambang batas dan menghasilkan osilasi dengan sangat cepat. Pada saat ini, energi partikel yang tersimpan dalam keadaan metastabil akan dengan cepat diubah menjadi energi foton. Foton meningkat dengan kecepatan yang sangat tinggi, dan laser dapat menghasilkan pulsa laser dengan daya puncak tinggi dan lebar sempit.
Karena hilangnya rongga resonansi mencakup kehilangan refleksi, kehilangan penyerapan, kehilangan difraksi, kehilangan hamburan, dan kehilangan transmisi, metode yang berbeda digunakan untuk mengontrol berbagai jenis kerugian untuk membentuk teknologi Q-switching yang berbeda. Saat ini, teknologi Q-switching yang umum adalah: Q-switching akustik-optik, Q-switching elektro-optik, dan Q-switching pewarna.
4. Penguncian mode:
Q-switching dapat memampatkan lebar pulsa laser untuk mendapatkan pulsa laser dengan lebar pulsa orde mikrodetik dan daya puncak orde gigawatt. Teknologi penguncian mode adalah teknologi yang selanjutnya memodulasi laser dengan cara khusus, memaksa fase setiap mode longitudinal yang berosilasi dalam laser harus diperbaiki, sehingga setiap mode ditumpangkan secara koheren untuk mendapatkan pulsa ultrashort. Dengan menggunakan teknologi penguncian mode, pulsa laser ultrapendek dengan lebar pulsa orde femtodetik dan daya puncak lebih tinggi dari orde T watt dapat diperoleh. Teknologi penguncian mode membuat energi laser sangat terkonsentrasi dalam waktu dan saat ini merupakan teknologi tercanggih untuk mendapatkan laser dengan daya puncak tinggi.
Prinsip penguncian mode: Secara umum, laser yang diperluas secara tidak seragam selalu menghasilkan beberapa mode longitudinal. Karena tidak ada hubungan pasti antara frekuensi dan fase awal setiap mode, mode-mode tersebut tidak koheren satu sama lain, sehingga keluaran intensitas cahaya oleh beberapa mode longitudinal adalah penjumlahan tidak koheren dari setiap mode longitudinal. Intensitas cahaya keluaran berfluktuasi secara tidak teratur seiring waktu. Penguncian mode memungkinkan beberapa mode longitudinal yang mungkin ada di rongga resonansi untuk berosilasi secara serempak, menjaga interval frekuensi setiap mode osilasi tetap sama dan menjaga fase awalnya tetap konstan, sehingga laser mengeluarkan rangkaian pulsa pendek dengan interval waktu yang teratur dan sama.
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 >= lebar garis laser; waktu relaksasi harus lebih singkat dari waktu yang diperlukan denyut nadi untuk bergerak bolak-balik satu kali.
