इन चार तकनीकों पर एक साथ चर्चा की गई है क्योंकि ये सभी लेजर अनुनाद की आउटपुट विशेषताओं को सीधे प्रभावित करती हैं।
1. मोड चयन:
मोड चयन वास्तव में आवृत्ति चयन है। अधिकांश लेज़र बड़ी आउटपुट ऊर्जा प्राप्त करने के लिए लंबी गुंजयमान गुहाओं का उपयोग करते हैं, जो लेज़र आउटपुट को बहु-मोड बनाता है। हालाँकि, उच्च-क्रम मोड की तुलना में, मौलिक अनुप्रस्थ मोड (TEM 00 मोड) में उच्च चमक, छोटे विचलन कोण, समान रेडियल प्रकाश तीव्रता वितरण और एकल दोलन आवृत्ति की विशेषताएं हैं, और इसमें सबसे अच्छा स्थानिक और अस्थायी हस्तक्षेप. इसलिए, एक एकल मौलिक अनुप्रस्थ मोड लेजर एक आदर्श सुसंगत प्रकाश स्रोत है, जो लेजर इंटरफेरोमेट्री, वर्णक्रमीय विश्लेषण और लेजर प्रसंस्करण जैसे अनुप्रयोगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। इन शर्तों को पूरा करने के लिए, मल्टी-मोड लेजर में अधिकांश गुंजयमान आवृत्तियों के संचालन को दबाने के लिए लेजर दोलन मोड को सीमित करने के उपायों को अपनाया जाना चाहिए, और एकल-मोड एकल-आवृत्ति लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए मोड चयन तकनीक का उपयोग करना चाहिए।
मोड चयन को दो तरीकों से विभाजित किया गया है: एक है लेजर अनुदैर्ध्य मोड का चयन, और दूसरा है लेजर अनुप्रस्थ मोड का चयन। पूर्व का लेजर की आउटपुट आवृत्ति पर अधिक प्रभाव पड़ता है और लेजर की सुसंगतता में काफी सुधार हो सकता है: बाद वाला मुख्य रूप से लेजर आउटपुट की प्रकाश तीव्रता की एकरूपता को प्रभावित करता है और लेजर की चमक में सुधार करता है।
अनुदैर्ध्य मोड चयन: प्रकाश किरण की मोनोक्रोमैटिकिटी और सुसंगत लंबाई में सुधार करने के लिए, लेजर को एकल-अनुदैर्ध्य मोड में काम करना आवश्यक है। हालाँकि, कई लेज़रों में अक्सर एक ही समय में दोलन करने वाले कई अनुदैर्ध्य मोड होते हैं। इसलिए, एकल अनुदैर्ध्य मोड लेजर को डिजाइन करने के लिए, एक आवृत्ति चयन विधि का उपयोग किया जाना चाहिए। सामान्य विधियों में शामिल हैं: लघु गुहा विधि, फैब्री-पुलऑफ़ एटलोन विधि, तीन-परावर्तक विधि, आदि।
2) ट्रांसवर्स मोड चयन: लेजर दोलन के लिए शर्त यह है कि लाभ गुणांक हानि गुणांक से अधिक होना चाहिए। हानि को अनुप्रस्थ मोड क्रम से संबंधित विवर्तन हानि और दोलन मोड से असंबंधित अन्य हानियों में विभाजित किया जा सकता है। मौलिक अनुप्रस्थ मोड चयन का सार टीईएम 00 मोड को दोलन स्थिति तक पहुंचाना है, जबकि उच्च-क्रम अनुप्रस्थ मोड के दोलन को दबा दिया जाता है। इसलिए, अनुप्रस्थ मोड का चयन करने का उद्देश्य प्रत्येक उच्च-क्रम मोड के ट्रांसमिशन नुकसान को नियंत्रित करके प्राप्त किया जा सकता है। सामान्यतया, जब तक TEM01 मोड और TEM10 मोड दोलन, जो कि मौलिक अनुप्रस्थ मोड से एक क्रम अधिक हैं, को दबाया जा सकता है, तब तक अन्य उच्च-क्रम मोड के दोलन को दबाया जा सकता है। सामान्य तरीकों में शामिल हैं: एपर्चर विधि, फोकसिंग एपर्चर विधि और अवतल-उत्तल गुहा, क्यू-स्विचिंग का उपयोग करके मोड चयन, आदि। इंट्राकैविटी टेलीस्कोप विधि,
2. आवृत्ति स्थिरीकरण:
लेजर द्वारा मोड चयन के माध्यम से एकल-आवृत्ति दोलन प्राप्त करने के बाद, आंतरिक और बाहरी स्थितियों में परिवर्तन के कारण, गुंजयमान आवृत्ति अभी भी संपूर्ण रैखिक चौड़ाई के भीतर चलेगी। इस घटना को "आवृत्ति बहाव" कहा जाता है। बहाव के अस्तित्व के कारण लेजर आवृत्ति स्थिरता की समस्या उत्पन्न होती है। आवृत्ति स्थिरीकरण का उद्देश्य दोलन आवृत्ति के साथ उनके हस्तक्षेप को कम करने के लिए इन नियंत्रणीय कारकों को नियंत्रित करने का प्रयास करना है, जिससे लेजर आवृत्ति की स्थिरता में सुधार होता है।
आवृत्ति स्थिरता में दो पहलू शामिल हैं: आवृत्ति स्थिरता और आवृत्ति प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता। फ़्रिक्वेंसी स्थिरता उप-निरंतर कार्य समय के दौरान लेजर की आवृत्ति बहाव और दोलन आवृत्ति के अनुपात को संदर्भित करती है। अनुपात जितना छोटा होगा, आवृत्ति स्थिरता उतनी ही अधिक होगी। जब विभिन्न वातावरणों में लेजर का उपयोग किया जाता है तो आवृत्ति पुनरुत्पादन आवृत्ति में सापेक्ष परिवर्तन होता है। आवृत्ति स्थिरीकरण विधियों को निष्क्रिय और सक्रिय प्रकारों में विभाजित किया गया है। विशिष्ट आवृत्ति स्थिरीकरण विधियाँ हैं: मेमना शिथिलता विधि और संतृप्ति अवशोषण विधि।
3. क्यू-स्विचिंग:
आम तौर पर, सॉलिड-स्टेट पल्स लेज़रों द्वारा आउटपुट प्रकाश दालें एकल चिकनी दालें नहीं होती हैं, बल्कि माइक्रोसेकंड स्तर पर विभिन्न तीव्रता वाले छोटे स्पाइक दालों का एक क्रम होती हैं। यह प्रकाश पल्स अनुक्रम सैकड़ों माइक्रोसेकंड या एक सेकंड के कुछ दसवें हिस्से तक रहता है, और इसकी चरम शक्ति केवल दसियों किलोवाट है, जो कि लेजर रडार और लेजर रेंजिंग जैसे व्यावहारिक अनुप्रयोगों की जरूरतों को पूरा करने से बहुत दूर है। इस कारण से, कुछ लोगों ने क्यू-स्विचिंग की अवधारणा का प्रस्ताव दिया है, जिसने परिमाण के कई आदेशों द्वारा लेजर पल्स के आउटपुट प्रदर्शन में सुधार किया है, पल्स चौड़ाई को नैनोसेकंड स्तर तक संपीड़ित किया है, और शिखर शक्ति गीगावाट जितनी अधिक है।
क्यू लेजर गुंजयमान गुहा के गुणवत्ता कारक को संदर्भित करता है। विशिष्ट सूत्र प्रति दोलन चक्र में खोई हुई गुंजयमान गुहा/ऊर्जा में संग्रहित Q{0}}n*ऊर्जा है।
क्यू-स्विचिंग सिद्धांत: पंपिंग की शुरुआत में गुंजयमान गुहा को उच्च-नुकसान और निम्न-क्यू मान स्थिति में बनाने के लिए एक निश्चित विधि का उपयोग किया जाता है। इस समय, लेजर दोलन की सीमा बहुत अधिक है, और भले ही कण घनत्व व्युत्क्रम संख्या बहुत उच्च स्तर तक जमा हो जाए, यह दोलन उत्पन्न नहीं करेगा: जब कण व्युत्क्रम संख्या चरम मूल्य तक पहुंचती है, तो गुहा का क्यू मान अचानक बढ़ जाता है, जिससे लेज़र माध्यम का लाभ सीमा से बहुत अधिक हो जाएगा और बहुत तेज़ी से दोलन उत्पन्न करेगा। इस समय, मेटास्टेबल अवस्था में संग्रहीत कणों की ऊर्जा जल्दी से फोटॉन की ऊर्जा में परिवर्तित हो जाएगी। फोटॉन अत्यधिक उच्च दर से बढ़ते हैं, और लेज़र उच्च शिखर शक्ति और संकीर्ण चौड़ाई के साथ लेज़र पल्स आउटपुट कर सकता है।
क्योंकि गुंजयमान गुहा के नुकसान में प्रतिबिंब हानि, अवशोषण हानि, विवर्तन हानि, बिखरने की हानि और संचरण हानि शामिल है, विभिन्न क्यू-स्विचिंग प्रौद्योगिकियों को बनाने के लिए विभिन्न प्रकार के नुकसान को नियंत्रित करने के लिए विभिन्न तरीकों का उपयोग किया जाता है। वर्तमान में, सामान्य क्यू-स्विचिंग प्रौद्योगिकियाँ हैं: एकोस्टो-ऑप्टिक क्यू-स्विचिंग, इलेक्ट्रो-ऑप्टिक क्यू-स्विचिंग और डाई क्यू-स्विचिंग।
4. मोड लॉकिंग:
क्यू-स्विचिंग माइक्रोसेकंड के क्रम की पल्स चौड़ाई और गीगावाट के क्रम की चरम शक्ति के साथ लेजर पल्स प्राप्त करने के लिए लेजर पल्स चौड़ाई को संपीड़ित कर सकता है। मोड लॉकिंग तकनीक एक ऐसी तकनीक है जो लेजर को एक विशेष तरीके से मॉड्यूलेट करती है, जिससे लेजर में दोलन करने वाले प्रत्येक अनुदैर्ध्य मोड के चरण को ठीक करने के लिए मजबूर किया जाता है, ताकि अल्ट्राशॉर्ट पल्स प्राप्त करने के लिए प्रत्येक मोड को सुसंगत रूप से सुपरइम्पोज़ किया जा सके। मोड लॉकिंग तकनीक का उपयोग करके, फेमटोसेकंड के क्रम की पल्स चौड़ाई और टी वाट के क्रम से अधिक की चरम शक्ति के साथ अल्ट्राशॉर्ट लेजर पल्स प्राप्त किया जा सकता है। मोड लॉकिंग तकनीक लेजर ऊर्जा को समय में अत्यधिक केंद्रित बनाती है और वर्तमान में उच्च शिखर शक्ति वाले लेजर प्राप्त करने के लिए सबसे उन्नत तकनीक है।
मोड-लॉकिंग सिद्धांत: सामान्य तौर पर, गैर-समान रूप से चौड़े लेज़र हमेशा कई अनुदैर्ध्य मोड उत्पन्न करते हैं। चूँकि प्रत्येक मोड की आवृत्ति और प्रारंभिक चरण के बीच कोई निश्चित संबंध नहीं है, मोड एक-दूसरे के साथ असंगत हैं, इसलिए कई अनुदैर्ध्य मोड द्वारा प्रकाश की तीव्रता का उत्पादन प्रत्येक अनुदैर्ध्य मोड का असंगत जोड़ है। आउटपुट प्रकाश की तीव्रता समय के साथ अनियमित रूप से उतार-चढ़ाव करती है। मोड लॉकिंग कई अनुदैर्ध्य मोड की अनुमति देता है जो अनुनाद गुहा में मौजूद हो सकते हैं, समकालिक रूप से दोलन कर सकते हैं, प्रत्येक दोलन मोड की आवृत्ति अंतराल को बराबर रखता है और उनके प्रारंभिक चरणों को स्थिर रखता है, ताकि लेजर समय में नियमित और समान अंतराल के साथ एक लघु पल्स अनुक्रम आउटपुट कर सके।
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 >= लेज़र लाइन की चौड़ाई; विश्राम का समय नाड़ी को एक बार आगे-पीछे होने में लगने वाले समय से कम होना चाहिए।
