Ces quatre technologies sont décrites ensemble car elles affectent toutes directement les caractéristiques de sortie de la cavité résonante laser.
1. Sélection du mode :
La sélection du mode est en fait une sélection de fréquence. La plupart des lasers utilisent des cavités résonantes plus longues pour obtenir une énergie de sortie plus importante, ce qui rend la sortie laser multimode. Cependant, par rapport aux modes d'ordre supérieur, le mode transversal fondamental (mode TEM00) présente les caractéristiques d'une luminosité élevée, d'un petit angle de divergence, d'une distribution uniforme de l'intensité lumineuse radiale et d'une fréquence d'oscillation unique. Il présente la meilleure interférence spatiale et temporelle. Par conséquent, un laser à mode transversal fondamental unique est une source de lumière cohérente idéale, ce qui est très important pour des applications telles que l'interférométrie laser, l'analyse spectrale et le traitement laser. Afin de répondre à ces conditions, des mesures visant à limiter l'oscillation laser doivent être adoptées pour supprimer le fonctionnement de la plupart des fréquences de résonance dans les lasers multimodes et utiliser la technologie de sélection de mode pour obtenir une sortie laser monomode monofréquence.
La sélection du mode est divisée en deux méthodes : l'une consiste à sélectionner le mode longitudinal du laser ; l'autre consiste à sélectionner le mode transversal du laser. Le premier a un impact plus important sur la fréquence de sortie du laser et peut améliorer considérablement la cohérence du laser ; le second affecte principalement l'uniformité de l'intensité lumineuse de la sortie laser et améliore la luminosité du laser.
1)Sélection du mode longitudinal : pour améliorer la monochromaticité et la longueur de cohérence du faisceau, le laser doit fonctionner dans un seul mode longitudinal. Cependant, de nombreux lasers ont souvent plusieurs modes longitudinaux oscillant en même temps. Par conséquent, pour concevoir un laser à mode longitudinal unique, une méthode de sélection de fréquence doit être utilisée. Les méthodes courantes incluent : la méthode de la cavité courte, la méthode de l'étalon Fabry-Ploy, la méthode des trois miroirs, etc.
2)Sélection du mode transversal : La condition pour l'oscillation laser est que le coefficient de gain doit être supérieur au coefficient de perte. Les pertes peuvent être divisées en pertes d'émission de ligne liées à l'ordre du mode transversal et autres pertes indépendantes du mode d'oscillation. L'essence de la sélection du mode transversal fondamental est de faire en sorte que le mode TEM00 atteigne les conditions d'oscillation et supprime l'oscillation des modes transversaux d'ordre supérieur. Par conséquent, nous n'avons besoin de contrôler que la perte d'émission de ligne de chaque mode d'ordre élevé pour atteindre l'objectif de sélection des modes transversaux. D'une manière générale, tant que les oscillations des modes TEM01 et TEM10 qui sont d'un ordre supérieur au mode transversal fondamental peuvent être supprimées, les oscillations des autres modes d'ordre supérieur peuvent être supprimées. Les méthodes courantes comprennent : la méthode d'ouverture, la méthode d'ouverture de focalisation et la méthode du télescope intra-cavité, la cavité concave-convexe, l'utilisation de la sélection de mode Q-switched, etc.
2. Stabilisation de fréquence :
Une fois que le laser obtient une oscillation à fréquence unique grâce à la sélection de mode, la fréquence de résonance se déplacera toujours sur toute la largeur linéaire en raison des changements des conditions internes et externes. Ce phénomène est appelé « dérive de fréquence ». En raison de l'existence de la dérive, le problème de la stabilité de la fréquence laser se pose. Le but de la stabilisation de fréquence est d'essayer de contrôler ces facteurs contrôlables pour minimiser leur interférence avec la fréquence d'oscillation, améliorant ainsi la stabilité de la fréquence laser.
La stabilité de fréquence comprend deux aspects : la stabilité de fréquence et la reproductibilité de fréquence. La stabilité de fréquence fait référence au rapport entre la dérive de fréquence du laser et la fréquence d'oscillation au cours d'une période de fonctionnement continue. Plus le rapport est petit, plus la stabilité de fréquence est élevée. La reproduction de fréquence est le changement relatif de fréquence lorsque le laser est utilisé dans différents environnements. Les méthodes de stabilisation de fréquence sont divisées en deux types : passives et actives. Les méthodes spécifiques de stabilisation de fréquence comprennent : la méthode Lamb sag et la méthode d'absorption de saturation.
3. Commutation Q :
En général, les impulsions lumineuses émises par les lasers à impulsions à semi-conducteurs ne sont pas des impulsions simples et régulières, mais une séquence de petites impulsions de pointe avec des intensités et des largeurs variables de l'ordre de la microseconde. Cette séquence d'impulsions lumineuses dure des centaines de microsecondes, voire des millisecondes, et sa puissance de pointe n'est que de quelques dizaines de kilowatts, ce qui est loin de répondre aux besoins d'applications pratiques telles que le radar laser et la télémétrie laser. Pour cette raison, certains ont proposé le concept de commutation Q, qui a amélioré les performances de sortie des impulsions laser de plusieurs ordres de grandeur, a comprimé la largeur d'impulsion au niveau de la nanoseconde et la puissance de pointe est aussi élevée que le gigawatt.
Q fait référence au facteur de qualité de la cavité résonante du laser. La formule spécifique est Q=2T"Énergie stockée dans la cavité résonante/Énergie perdue par cycle d'oscillation.
À l'heure actuelle, le principe de commutation Q de l'oscillation laser : une certaine méthode est utilisée pour amener la cavité résonante dans un état de perte élevée et de faible valeur Q au début du pompage. Le seuil d'oscillation est très élevé, et même si le nombre d'inversion de densité de particules s'accumule à un niveau très élevé, il ne produira pas d'oscillation ; lorsque le nombre d'inversion de densité de particules atteint la valeur de crête, la valeur Q de la cavité augmente soudainement, ce qui entraîne un gain du milieu laser dépassant largement le seuil, et l'oscillation se produit extrêmement rapidement. À ce moment, l'énergie des particules stockées dans l'état métastable sera rapidement convertie en énergie de photons, et les photons augmenteront à un rythme extrêmement élevé. Le laser peut produire une impulsion laser avec une puissance de crête élevée et une largeur étroite.
Étant donné que la perte de la cavité résonante comprend la perte par réflexion, la perte par absorption, la perte par rayonnement, la perte par diffusion et la perte par transmission, différentes méthodes sont utilisées pour contrôler différents types de pertes afin de former différentes technologies de commutation Q. À l'heure actuelle, les technologies de commutation Q courantes sont : la commutation Q acousto-optique, la commutation Q électro-optique et la commutation Q à colorant.
4. Mode de verrouillage :
La commutation Q permet de comprimer la largeur d'impulsion du laser et d'obtenir des impulsions laser d'une largeur d'impulsion de l'ordre de la microseconde et d'une puissance de crête de l'ordre du gigawatt. La technologie de verrouillage de mode est une technologie qui module davantage le laser d'une manière spéciale, forçant les phases des différents modes longitudinaux oscillants dans le laser à être fixes, de sorte que chaque mode puisse être superposé de manière cohérente pour obtenir des impulsions ultracourtes. En utilisant la technologie de verrouillage de mode, des impulsions laser ultracourtes d'une largeur d'impulsion de l'ordre de la femtoseconde et d'une puissance de crête supérieure à l'ordre de T watts peuvent être obtenues. La technologie de verrouillage de mode rend l'énergie laser hautement concentrée dans le temps et constitue actuellement la technologie la plus avancée pour obtenir des lasers à puissance de crête élevée.
Principe de verrouillage de mode : En général, les lasers à élargissement non uniforme produisent toujours plusieurs modes longitudinaux. Comme il n'existe pas de relation définie entre la fréquence et la phase initiale de chaque mode, chaque mode est incohérent avec les autres, de sorte que l'intensité lumineuse produite par plusieurs modes longitudinaux est l'addition incohérente de chaque mode longitudinal. L'intensité lumineuse de sortie fluctue de manière irrégulière dans le temps. Le verrouillage de mode permet à plusieurs modes longitudinaux qui peuvent exister dans la cavité résonante d'osciller de manière synchrone, maintient les intervalles de fréquence de chaque mode d'oscillation égaux et maintient leurs phases initiales constantes, de sorte que le laser produit une courte séquence d'impulsions avec des intervalles réguliers et égaux dans le temps.
La technologie de verrouillage de mode est divisée en verrouillage de mode actif et verrouillage de mode passif. Verrouillage de mode actif : insérez un modulateur avec une fréquence de modulation v=c/2L dans la cavité résonante pour moduler l'amplitude et la phase de la sortie laser pour obtenir une vibration synchrone de chaque mode longitudinal. Verrouillage de mode passif : insérez une boîte de colorant avec des caractéristiques d'absorption saturées dans la cavité laser. Le coefficient d'absorption de la boîte de colorant avec des caractéristiques d'absorption saturables diminuera avec l'augmentation de l'intensité lumineuse. Dans le laser, lorsque la pompe optique excite le matériau de travail, chaque mode longitudinal se produit de manière aléatoire et le champ lumineux fluctue en intensité en raison de leur superposition. Lorsque certains modes longitudinaux sont renforcés de manière cohérente par hasard, des parties avec une intensité lumineuse plus forte apparaissent, tandis que d'autres parties sont plus faibles. Ces parties plus fortes sont moins absorbées par le colorant et la perte n'est pas importante. Les parties plus faibles sont davantage absorbées par le colorant et deviennent plus faibles. En raison du passage répété du champ lumineux à travers le colorant, les parties fortes et faibles sont clairement distinguées, et finalement ces parties d'amélioration cohérentes en mode longitudinal sont sélectionnées sous la forme d'impulsions étroites. Le verrouillage de mode passif a certaines exigences sur les propriétés optiques de la boîte à colorant : la ligne d'absorption du colorant doit être très proche de la longueur d'onde du laser ; la largeur de la ligne d'absorption doit être supérieure ou égale à la largeur de la ligne laser ; et le temps de relaxation doit être plus court que le temps nécessaire à l'impulsion pour aller et venir dans la cavité.
