Ове четири технологије се разматрају заједно јер све оне директно утичу на излазне карактеристике ласерске резонанце.
1. Избор режима:
Избор режима је заправо избор фреквенције. Већина ласера користи дуже резонантне шупљине за добијање веће излазне енергије, што ласерски излаз чини мулти-модним. Међутим, у поређењу са модовима вишег реда, основни попречни режим (ТЕМ00 мод) има карактеристике високог осветљења, малог угла дивергенције, једнолике радијалне расподеле интензитета светлости и фреквенције појединачних осцилација и има најбољу просторну и временске сметње. Стога је један основни ласер попречног мода идеалан кохерентни извор светлости, што је веома важно за апликације као што су ласерска интерферометрија, спектрална анализа и ласерска обрада. Да би се испунили ови услови, морају се усвојити мере за ограничавање мода ласерске осцилације да би се сузбио рад већине резонантних фреквенција у вишемодним ласерима и користити технологију избора режима за добијање једномодног једнофреквентног ласерског излаза.
Избор режима је подељен на два начина: један је избор ласерског уздужног режима, а други је избор ласерског попречног мода. Први има већи утицај на излазну фреквенцију ласера и може у великој мери побољшати кохерентност ласера: други углавном утиче на уједначеност интензитета светлости ласерског излаза и побољшава осветљеност ласера.
Избор уздужног режима: Да би се побољшала монохроматичност и дужина кохерентности светлосног снопа, неопходно је да ласер ради у једном уздужном режиму. Међутим, многи ласери често имају неколико уздужних модова који осцилују у исто време. Стога, да би се дизајнирао један ласер уздужног мода, мора се користити метода селекције фреквенције. Уобичајене методе укључују: методу кратке шупљине, методу Фабри-Пуллофф еталона, методу са три рефлектора итд.
2) Избор попречног режима: Услов за ласерско осциловање је да коефицијент појачања мора бити већи од коефицијента губитка. Губитак се може поделити на губитке дифракције у вези са попречним редоследом модова и друге губитке који нису повезани са модом осциловања. Суштина основног избора попречног мода је да ТЕМ00 мод достигне услов осциловања, док се осцилација попречног мода вишег реда потискује. Стога, сврха избора попречног мода може се постићи једноставном контролом губитка преноса сваког мода вишег реда. Уопштено говорећи, све док осцилације мода ТЕМ01 и ТЕМ10 мода које су за један ред веће од основног попречног мода могу бити потиснуте, осцилације других модова вишег реда могу бити потиснуте. Уобичајене методе укључују: метод отвора бленде, метод отвора бленде за фокусирање и конкавно-конвексну шупљину, избор режима помоћу К-прекидања, итд. Метода интракавитетног телескопа,
2. Стабилизација фреквенције:
Након што ласер добије једнофреквентну осцилацију кроз избор режима, услед промена унутрашњих и спољашњих услова, резонантна фреквенција ће се и даље кретати у оквиру целе линеарне ширине. Овај феномен се назива "однос фреквенције". Због постојања дрифта јавља се проблем стабилности фреквенције ласера. Сврха стабилизације фреквенције је да покуша да контролише ове контролисане факторе како би се минимизирала њихова интерференција са фреквенцијом осциловања, чиме се побољшава стабилност фреквенције ласера.
Стабилност фреквенције укључује два аспекта: стабилност фреквенције и поновљивост фреквенције. Стабилност фреквенције се односи на однос фреквентног дрифта ласера и фреквенције осциловања током суб-континуираног радног времена. Што је однос мањи, то је већа стабилност фреквенције. Репродуцибилност фреквенције је релативна промена фреквенције када се ласер користи у различитим окружењима. Методе стабилизације фреквенције су подељене на пасивне и активне типове. Специфичне методе стабилизације фреквенције су: Ламб саг метода и метода апсорпције засићења.
3. К-прекидање:
Уопштено говорећи, светлосни импулси који излазе из полупроводничких импулсних ласера нису појединачни глатки импулси, већ низ малих шиљастих импулса различитих интензитета на нивоу микросекунде. Ова секвенца светлосних импулса траје стотине микросекунди или чак неколико десетинки секунде, а њена вршна снага је само десетине киловата, што је далеко од задовољавања потреба практичних примена као што су ласерски радар и ласерско одређивање распона. Из тог разлога, неки људи су предложили концепт К-прекидања, који је побољшао излазне перформансе ласерских импулса за неколико редова величине, компримовао ширину импулса на ниво наносекунде, а вршна снага је чак и гигавати.
К се односи на фактор квалитета ласерске резонантне шупљине. Специфична формула је К=2н*енергија ускладиштена у резонантној шупљини/енергија изгубљена по циклусу осциловања.
Принцип К-прекидања: Одређена метода се користи да се резонантна шупљина доведе у стање високих губитака и ниске К вредности на почетку пумпања. У овом тренутку, праг ласерске осцилације је веома висок, па чак и ако се број инверзије густине честица акумулира на веома висок ниво, неће произвести осцилацију: када број инверзије честица достигне вршну вредност, К вредност шупљине се нагло повећава, што ће довести до тога да појачање ласерског медија увелико премаши праг и производи осцилације изузетно брзо. У овом тренутку, енергија честица ускладиштених у метастабилном стању ће се брзо претворити у енергију фотона. Фотони се повећавају изузетно великом брзином, а ласер може да емитује ласерски импулс велике вршне снаге и уске ширине.
Пошто губитак резонантне шупљине укључује губитак рефлексије, губитак апсорпције, губитак дифракције, губитак расејања и губитак трансмисије, различите методе се користе за контролу различитих врста губитака како би се формирале различите технологије К-прекидања. Тренутно, уобичајене технологије К-прекидања су: акусто-оптички К-прекидач, електро-оптички К-прекидач и К-прекидач боје.
4. Закључавање режима:
К-прекидање може компримовати ширину ласерског импулса да би се добили ласерски импулси са ширином импулса реда микросекунди и вршном снагом реда гигавата. Технологија закључавања мода је технологија која даље модулира ласер на посебан начин, приморавајући да се фаза сваког уздужног мода који осцилује у ласеру фиксира, тако да се сваки мод кохерентно надограђује како би се добио ултракратки импулс. Користећи технологију закључавања режима, могу се добити ултракратки ласерски импулси са ширином импулса реда фемтосекунди и вршном снагом већом од реда Т вати. Технологија закључавања режима чини ласерску енергију високо концентрисаном у времену и тренутно је најнапреднија технологија за добијање ласера велике вршне снаге.
Принцип закључавања мода: Генерално, ласери са неуједначеним проширењем увек производе више уздужних модова. Пошто не постоји дефинитиван однос између фреквенције и почетне фазе сваког мода, модови су некохерентни један са другим, тако да је интензитет светлости који излази из више уздужних модова некохерентно додавање сваког лонгитудиналног мода. Интензитет излазне светлости неправилно флуктуира током времена. Закључавање режима омогућава да више уздужних модова који могу постојати у резонантној шупљини синхроно осцилују, одржава интервале фреквенција сваког мода осциловања једнаким и одржава њихове почетне фазе константним, тако да ласер даје кратку секвенцу импулса са правилним и једнаким временским интервалима.
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 >= ширина ласерске линије; време опуштања мора бити краће од времена потребног да пулс једном путује напред-назад.
