이 네 가지 기술은 모두 레이저 공진 공동의 출력 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 함께 논의됩니다.
1. 모드 선택:
모드 선택은 실제로 주파수 선택입니다. 대부분의 레이저는 더 큰 출력 에너지를 얻기 위해 더 긴 공진 공동을 사용하므로 레이저 출력이 다중 모드가 됩니다. 그러나 고차 모드와 비교할 때 기본 횡 모드(TEM00 모드)는 높은 밝기, 작은 발산 각도, 균일한 방사형 광 강도 분포 및 단일 발진 주파수의 특성을 가지고 있습니다. 최상의 공간적 및 시간적 간섭을 갖습니다. 따라서 단일 기본 횡 모드 레이저는 이상적인 코히런트 광원으로, 레이저 간섭계, 스펙트럼 분석 및 레이저 처리와 같은 응용 분야에 매우 중요합니다. 이러한 조건을 충족하려면 레이저 발진을 제한하는 조치를 채택하여 다중 모드 레이저에서 대부분의 공진 주파수의 작동을 억제하고 모드 선택 기술을 사용하여 단일 모드 단일 주파수 레이저 출력을 얻어야 합니다.
모드 선택은 두 가지 방법으로 나뉜다. 하나는 레이저 종방향 모드의 선택이고, 다른 하나는 레이저 횡방향 모드의 선택이다. 전자는 레이저의 출력 주파수에 더 큰 영향을 미치고 레이저의 코히어런스를 크게 개선할 수 있다. 후자는 주로 레이저 출력의 광 강도 균일성에 영향을 미치고 레이저의 밝기를 개선한다.
1)종방향 모드 선택: 빔의 단색성과 코히어런스 길이를 개선하기 위해 레이저는 단일 종방향 모드에서 작동해야 합니다. 그러나 많은 레이저는 종종 동시에 진동하는 여러 종방향 모드를 갖습니다. 따라서 단일 종방향 모드 레이저를 설계하려면 주파수 선택 방법을 사용해야 합니다. 일반적인 방법은 다음과 같습니다. 짧은 공동 방법, 패브리-플로이 에탈론 방법, 3-미러 방법 등
2)횡 모드 선택: 레이저 진동의 조건은 이득 계수가 손실 계수보다 커야 한다는 것입니다. 손실은 횡 모드 순서와 관련된 선 방출 손실과 진동 모드와 독립적인 다른 손실로 나눌 수 있습니다. 기본 횡 모드를 선택하는 본질은 TEM00 모드가 진동 조건에 도달하고 고차 횡 모드의 진동을 억제하는 것입니다. 따라서 횡 모드 선택의 목적을 달성하기 위해 각 고차 모드의 선 방출 손실만 제어하면 됩니다. 일반적으로 기본 횡 모드보다 한 단계 높은 TEM01 모드와 TEM10 모드 진동을 억제할 수 있는 한 다른 고차 모드의 진동을 억제할 수 있습니다. 일반적인 방법은 다음과 같습니다. 조리개 방법, 초점 조리개 방법 및 공동 내 망원경 방법, 오목-볼록 공동, Q-스위치 모드 선택 사용 등
2. 주파수 안정화:
레이저가 모드 선택을 통해 단일 주파수 진동을 얻은 후에도 공진 주파수는 내부 및 외부 조건의 변화로 인해 전체 선형 폭 내에서 계속 이동합니다. 이 현상을 "주파수 드리프트"라고 합니다. 드리프트가 존재하기 때문에 레이저 주파수 안정성 문제가 발생합니다. 주파수 안정화의 목적은 이러한 제어 가능한 요소를 제어하여 진동 주파수에 대한 간섭을 최소화하고 레이저 주파수의 안정성을 개선하는 것입니다.
주파수 안정성에는 주파수 안정성과 주파수 재현성이라는 두 가지 측면이 포함됩니다. 주파수 안정성은 연속 작업 시간 내의 레이저 주파수 드리프트와 진동 주파수의 비율을 말합니다. 비율이 작을수록 주파수 안정성이 높아집니다. 주파수 재현은 레이저가 다른 환경에서 사용될 때 주파수의 상대적 변화입니다. 주파수 안정화 방법은 수동 및 능동의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 구체적인 주파수 안정화 방법에는 램 새그 방법 및 포화 흡수 방법이 있습니다.
3. Q-스위칭:
일반적으로 고체 펄스 레이저가 출력하는 광 펄스는 단일 매끄러운 펄스가 아니라 마이크로초 범위에서 강도와 폭이 다양한 일련의 작은 피크 펄스입니다. 이 광 펄스 시퀀스는 수백 마이크로초 또는 심지어 밀리초 동안 지속되며 피크 전력은 수십 킬로와트에 불과하여 레이저 레이더 및 레이저 거리 측정과 같은 실용적인 응용 분야의 요구를 충족시키기에는 거리가 멉니다. 이러한 이유로 일부 사람들은 Q-스위칭 개념을 제안했는데, 이는 레이저 펄스의 출력 성능을 몇 배나 향상시키고 펄스 폭을 나노초 수준으로 압축했으며 피크 전력은 기가와트만큼 높습니다.
Q는 레이저 공진 공동의 품질 계수를 나타냅니다. 구체적인 공식은 Q=2T"공진 공동에 저장된 에너지/진동 주기당 손실된 에너지입니다.
이때 레이저 진동 Q-스위칭의 원리는 다음과 같습니다. 특정 방법을 사용하여 펌핑 시작 시 공진 공동을 고손실, 저Q값 상태로 만듭니다. 진동의 임계값은 매우 높고 입자 밀도 반전 수가 매우 높은 수준으로 누적되더라도 진동을 생성하지 않습니다. 입자 반전 수가 피크 값에 도달하면 공동의 Q 값이 갑자기 증가하여 레이저 매질의 이득이 임계값을 크게 초과하고 진동이 매우 빠르게 발생합니다. 이때 준안정 상태에 저장된 입자의 에너지는 광자의 에너지로 빠르게 변환되고 광자는 매우 높은 속도로 증가합니다. 레이저는 높은 피크 전력과 좁은 폭의 레이저 펄스를 출력할 수 있습니다.
공진 공동의 손실에는 반사 손실, 흡수 손실, 복사 손실, 산란 손실 및 투과 손실이 포함되므로 다양한 Q-스위칭 기술을 형성하기 위해 다양한 유형의 손실을 제어하는 데 다양한 방법이 사용됩니다. 현재 일반적인 Q-스위칭 기술은 음향 광학 Q-스위칭, 전기 광학 Q-스위칭 및 염료 Q-스위칭입니다.
4. 모드 잠금:
Q-스위칭은 레이저 펄스 폭을 압축하고 펄스 폭이 마이크로초 단위이고 피크 전력이 기가와트 단위인 레이저 펄스를 얻을 수 있습니다. 모드 잠금 기술은 레이저를 특별한 방식으로 더욱 변조하여 레이저에서 진동하는 다양한 종방향 모드의 위상을 고정하여 각 모드를 일관되게 중첩하여 초단 펄스를 얻는 기술입니다. 모드 잠금 기술을 사용하면 펨토초 단위의 펄스 폭과 T와트 단위보다 높은 피크 전력을 가진 초단 레이저 펄스를 얻을 수 있습니다. 모드 잠금 기술은 레이저 에너지를 시간에 따라 고도로 집중시키며 현재 고피크 전력 레이저를 얻는 데 가장 진보된 기술입니다.
모드 잠금 원리: 일반적으로 비균일하게 확장된 레이저는 항상 여러 개의 종방향 모드를 생성합니다. 각 모드의 주파수와 초기 위상 사이에 명확한 관계가 없기 때문에 각 모드는 서로 비간섭적이므로 여러 종방향 모드가 출력하는 광 강도는 각 종방향 모드의 비간섭적 추가입니다. 출력 광 강도는 시간에 따라 불규칙하게 변동합니다. 모드 잠금은 공진 공동에 존재할 수 있는 여러 종방향 모드가 동기적으로 진동할 수 있도록 하고 각 진동 모드의 주파수 간격을 동일하게 유지하고 초기 위상을 일정하게 유지하여 레이저가 시간적으로 규칙적이고 동일한 간격을 가진 짧은 펄스 시퀀스를 출력합니다.
모드 잠금 기술은 능동 모드 잠금과 수동 모드 잠금으로 구분됩니다. 능동 모드 잠금: 변조 주파수 v=c/2L인 변조기를 공진 공동에 삽입하여 레이저 출력의 진폭과 위상을 변조하여 각 종 모드의 동기 진동을 달성합니다. 수동 모드 잠금: 포화 흡수 특성을 가진 염료 상자를 레이저 공동에 삽입합니다. 포화 흡수 특성을 가진 염료 상자의 흡수 계수는 광 강도가 증가함에 따라 감소합니다. 레이저에서 광 펌프가 작동 재료를 여기시키면 각 종 모드가 무작위로 발생하고 중첩으로 인해 광 필드의 강도가 변동합니다. 일부 종 모드가 우연히 일관되게 향상되면 광 강도가 강한 부분이 나타나고 다른 부분은 약합니다. 이러한 강한 부분은 염료에 덜 흡수되고 손실이 크지 않습니다. 약한 부분은 염료에 더 많이 흡수되어 약해집니다. 빛 필드가 염료를 여러 번 통과하기 때문에 강약 부분이 명확히 구별되고, 마지막으로 이러한 종방향 모드 코히어런트 향상 부분이 좁은 펄스 형태로 선택됩니다. 수동 모드 잠금은 염료 상자의 광학적 특성에 대한 특정 요구 사항이 있습니다. 염료의 흡수선은 레이저 파장에 매우 가까워야 합니다. 흡수선의 선 폭은 레이저 선 폭보다 크거나 같아야 합니다. 이완 시간은 펄스가 공동에서 앞뒤로 이동하는 데 걸리는 시간보다 짧아야 합니다.
