Keempat teknologi ini dibahas bersama karena semuanya secara langsung memengaruhi karakteristik keluaran rongga resonansi laser.
1. Pemilihan mode:
Pemilihan mode sebenarnya adalah pemilihan frekuensi. Sebagian besar laser menggunakan rongga resonansi yang lebih panjang untuk mendapatkan energi keluaran yang lebih besar, yang menjadikan keluaran laser multimode. Namun, dibandingkan dengan mode orde lebih tinggi, mode transversal fundamental (mode TEM00) memiliki karakteristik kecerahan tinggi, sudut divergensi kecil, distribusi intensitas cahaya radial yang seragam, dan frekuensi osilasi tunggal. Mode ini memiliki interferensi spasial dan temporal terbaik. 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, tindakan untuk membatasi osilasi laser harus diadopsi untuk menekan pengoperasian sebagian besar frekuensi resonansi dalam laser multimode, dan menggunakan teknologi pemilihan mode untuk memperoleh keluaran laser frekuensi tunggal mode tunggal.
Pemilihan mode dibagi menjadi dua cara: satu adalah pemilihan mode longitudinal laser; yang lainnya adalah pemilihan mode transversal laser. Yang pertama memiliki dampak yang lebih besar pada frekuensi keluaran laser dan dapat sangat meningkatkan koherensi laser; yang terakhir terutama memengaruhi keseragaman intensitas cahaya keluaran laser dan meningkatkan kecerahan laser.
1)Pemilihan mode longitudinal: Untuk meningkatkan monokromatisitas dan panjang koherensi sinar, laser perlu bekerja dalam satu mode longitudinal. Namun, banyak laser sering kali memiliki beberapa mode longitudinal yang berosilasi pada saat yang sama. Oleh karena itu, untuk merancang laser mode longitudinal tunggal, metode pemilihan frekuensi harus digunakan. Metode umum meliputi: metode rongga pendek, metode etalon Fabry-Ploy, metode tiga cermin, dll.
2)Pemilihan mode transversal: Kondisi untuk osilasi laser adalah koefisien penguatan harus lebih besar daripada koefisien kerugian. Kerugian dapat dibagi menjadi kerugian emisi garis yang terkait dengan urutan mode transversal dan kerugian lain yang tidak bergantung pada mode osilasi. Inti dari pemilihan mode transversal fundamental adalah membuat mode TEM00 mencapai kondisi osilasi dan menekan osilasi mode transversal orde lebih tinggi. Oleh karena itu, kita hanya perlu mengendalikan kerugian emisi garis dari setiap mode orde tinggi untuk mencapai tujuan pemilihan mode transversal. Secara umum, selama osilasi mode TEM01 dan mode TEM10 yang satu orde lebih tinggi daripada mode transversal fundamental dapat ditekan, osilasi mode orde lebih tinggi lainnya dapat ditekan. Metode umum meliputi: metode aperture, metode aperture pemfokusan dan metode teleskop intra-rongga, rongga cekung-cembung, menggunakan pemilihan mode Q-switched, dll.
2. Stabilisasi frekuensi:
Setelah laser memperoleh osilasi frekuensi tunggal melalui pemilihan mode, frekuensi resonansi akan tetap bergerak dalam seluruh lebar linier karena perubahan kondisi internal dan eksternal. Fenomena ini disebut "pergeseran frekuensi". Karena adanya pergeseran, masalah stabilitas frekuensi laser muncul. Tujuan dari stabilisasi frekuensi adalah untuk mencoba mengendalikan faktor-faktor yang dapat dikontrol ini guna meminimalkan interferensinya terhadap frekuensi osilasi, sehingga meningkatkan stabilitas frekuensi laser.
Stabilitas frekuensi mencakup dua aspek: stabilitas frekuensi dan reproduksibilitas frekuensi. Stabilitas frekuensi mengacu pada rasio pergeseran frekuensi laser terhadap frekuensi osilasi dalam waktu kerja berkelanjutan. Semakin kecil rasionya, semakin tinggi stabilitas frekuensi. Reproduksi frekuensi adalah perubahan relatif dalam frekuensi saat laser digunakan di lingkungan yang berbeda. Metode stabilisasi frekuensi dibagi menjadi dua jenis: pasif dan aktif. Metode stabilisasi frekuensi tertentu meliputi: metode lamb sag dan metode penyerapan saturasi.
3. Pengalihan Q:
Umumnya, pulsa cahaya yang dikeluarkan oleh laser pulsa solid-state bukanlah pulsa tunggal yang halus, tetapi serangkaian pulsa puncak kecil dengan intensitas dan lebar yang bervariasi dalam rentang mikrodetik. Urutan pulsa cahaya ini berlangsung selama ratusan mikrodetik atau bahkan milidetik, dan daya puncaknya hanya puluhan kilowatt, yang jauh dari memenuhi kebutuhan aplikasi praktis seperti radar laser dan laser range. Karena alasan ini, beberapa orang telah mengusulkan konsep Q-switching, yang telah meningkatkan kinerja keluaran pulsa laser hingga beberapa kali lipat, mengompresi lebar pulsa ke level nanodetik, dan daya puncaknya setinggi gigawatt.
Q mengacu pada faktor kualitas rongga resonansi laser. Rumus spesifiknya adalah Q=2T"Energi yang tersimpan dalam rongga resonansi/Energi yang hilang per siklus osilasi.
Pada saat ini, prinsip Q-switching osilasi laser: metode tertentu digunakan untuk membuat rongga resonansi dalam keadaan nilai Q rendah dan rugi-tinggi pada awal pemompaan. Ambang osilasi sangat tinggi, dan bahkan jika nomor inversi kerapatan partikel terakumulasi ke tingkat yang sangat tinggi, itu tidak akan menghasilkan osilasi; ketika nomor inversi partikel mencapai nilai puncak, nilai Q rongga tiba-tiba meningkat, yang akan menyebabkan perolehan media laser jauh melampaui ambang batas, dan osilasi akan terjadi dengan sangat cepat. Pada saat ini, energi partikel yang disimpan dalam keadaan metastabil akan dengan cepat diubah menjadi energi foton, dan foton akan meningkat pada tingkat yang sangat tinggi. Laser dapat mengeluarkan pulsa laser dengan daya puncak tinggi dan lebar sempit.
Karena kehilangan rongga resonansi meliputi kehilangan refleksi, kehilangan penyerapan, kehilangan radiasi, kehilangan hamburan, dan kehilangan transmisi, berbagai metode digunakan untuk mengendalikan berbagai jenis kehilangan untuk membentuk berbagai teknologi Q-switching. Saat ini, teknologi Q-switching yang umum adalah: Q-switching akustik-optik, Q-switching elektro-optik, dan Q-switching pewarna.
4. Mode penguncian:
Q-switching dapat mengompresi lebar pulsa laser dan memperoleh 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 berbagai mode longitudinal yang berosilasi dalam laser untuk diperbaiki, sehingga setiap mode dapat ditumpangkan secara koheren untuk memperoleh pulsa ultrapendek. 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 paling canggih untuk memperoleh laser daya puncak tinggi.
Prinsip penguncian mode: Umumnya, laser yang melebar secara tidak seragam selalu menghasilkan beberapa mode longitudinal. Karena tidak ada hubungan pasti antara frekuensi dan fase awal setiap mode, setiap mode tidak koheren satu sama lain, sehingga intensitas cahaya yang dihasilkan oleh beberapa mode longitudinal adalah penjumlahan yang tidak koheren dari setiap mode longitudinal. Intensitas cahaya yang dihasilkan berfluktuasi secara tidak teratur dari waktu ke 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 menghasilkan urutan pulsa pendek dengan interval waktu yang teratur dan sama.
Teknologi penguncian mode dibagi menjadi penguncian mode aktif dan penguncian mode pasif. Penguncian mode aktif: masukkan modulator dengan frekuensi modulasi v=c/2L ke dalam rongga resonansi untuk memodulasi amplitudo dan fase keluaran laser guna mencapai getaran sinkron pada setiap mode longitudinal. Penguncian mode pasif: masukkan kotak pewarna dengan karakteristik penyerapan jenuh ke dalam rongga laser. Koefisien penyerapan kotak pewarna dengan karakteristik penyerapan jenuh akan menurun seiring dengan peningkatan intensitas cahaya. Pada laser, saat pompa optik mengeksitasi material kerja, setiap mode longitudinal akan terjadi secara acak, dan medan cahaya akan berfluktuasi dalam intensitas karena superposisinya. Ketika beberapa mode longitudinal ditingkatkan secara koheren secara kebetulan, bagian dengan intensitas cahaya yang lebih kuat muncul, sementara bagian lainnya lebih lemah. Bagian yang lebih kuat ini diserap lebih sedikit oleh pewarna dan kerugiannya tidak besar. Bagian yang lebih lemah diserap lebih banyak oleh pewarna dan menjadi lebih lemah. Sebagai hasil dari medan cahaya yang melewati pewarna berkali-kali, bagian yang kuat dan lemah dibedakan dengan jelas, dan akhirnya bagian peningkatan koheren mode longitudinal ini dipilih dalam bentuk pulsa sempit. Penguncian mode pasif memiliki persyaratan tertentu pada sifat optik kotak pewarna: garis serapan pewarna harus sangat dekat dengan panjang gelombang laser; lebar garis serapan harus lebih besar atau sama dengan lebar garis laser; dan waktu relaksasi harus lebih pendek daripada waktu yang dibutuhkan pulsa untuk bergerak maju mundur di dalam rongga.
