Q -přepínání - Q-switching

Q-přepínání , někdy známé jako obří tvorba pulzů nebo Q-kazení , je technika, pomocí které lze laserem vytvořit pulzní výstupní paprsek. Tato technika umožňuje produkci světelných pulzů s extrémně vysokým ( gigawattovým ) špičkovým výkonem , mnohem vyšším, než by byl produkován stejným laserem, pokud by pracoval v režimu spojitých vln (konstantní výstup). Ve srovnání s modelockingem , další technikou generování pulsů pomocí laserů, Q-přepínání vede k mnohem nižším frekvencím opakování pulzů, mnohem vyšším pulzním energiím a mnohem delšímu trvání pulzů. Tyto dvě techniky se někdy používají společně.

Přepínání Q bylo poprvé navrženo v roce 1958 Gordonem Gouldem a nezávisle objeveno a demonstrováno v roce 1961 nebo 1962 RW Hellwarthem a FJ McClungem v Hughes Research Laboratories pomocí elektricky spínaných žaluzií Kerrových buněk v rubínovém laseru . Optické nelinearity, jako je přepínání Q, plně vysvětlil Nicolaas Bloembergen , který za tuto práci získal v roce 1981 Nobelovu cenu .

Princip Q-přepínání

Q-přepínání je dosaženo vložením nějakého typu variabilního atenuátoru do optického rezonátoru laseru . Když funguje atenuátor, světlo, které opouští médium zisku, se nevrací a laser nemůže začít. Tento útlum uvnitř dutiny odpovídá snížení faktoru Q nebo faktoru kvality z optického rezonátoru . Vysoký faktor Q odpovídá nízkým ztrátám rezonátoru na zpáteční cestu a naopak. Při použití k tomuto účelu se variabilní atenuátor běžně nazývá „Q-přepínač“.

Zpočátku je laserové médium čerpáno, zatímco Q-přepínač je nastaven tak, aby zabránil zpětné vazbě světla do ziskového média (produkující optický rezonátor s nízkým Q). To vytváří inverzi populace , ale laserová operace zatím nemůže nastat, protože neexistuje žádná zpětná vazba od rezonátoru. Vzhledem k tomu, že rychlost stimulované emise je závislá na množství světla vstupujícího do média, zvyšuje se množství energie uložené v ziskovém médiu při čerpání média. V důsledku ztrát ze spontánní emise a dalších procesů dosáhne po určité době uložená energie určité maximální úrovně; o médiu se říká, že je nasycené . V tomto okamžiku se zařízení Q-switch rychle změní z nízkého na vysoké Q, což umožní zpětnou vazbu a proces optické amplifikace stimulovanou emisí. Vzhledem k velkému množství energie již uložené v ziskovém médiu se intenzita světla v laserovém rezonátoru velmi rychle zvyšuje; to také způsobí, že energie uložená v médiu se téměř stejně rychle vyčerpá. Čistým výsledkem je krátký puls světelného výstupu z laseru, známý jako obří puls , který může mít velmi vysokou špičkovou intenzitu.

Existují dva hlavní typy Q-přepínání:

Aktivní přepínání Q

Zde je spínač Q externě ovládaný proměnný atenuátor. Může to být mechanické zařízení, jako je závěrka, sekací kolo nebo otáčející se zrcadlo/hranol umístěné uvnitř dutiny, nebo (běžněji) to může být nějaká forma modulátoru , jako je akusticko-optické zařízení, zařízení s magnetooptickým efektem nebo elektrooptické zařízení- Pockelsův článek nebo Kerrův článek . Snížení ztrát (zvýšení Q) je vyvoláno vnější událostí, obvykle elektrickým signálem. Rychlost opakování pulzu lze tedy ovládat externě. Modulátory obecně umožňují rychlejší přechod z nízkého na vysoký Q a poskytují lepší ovládání. Další výhodou modulátorů je, že odmítnuté světlo může být spojeno ven z dutiny a může být použito pro něco jiného. Alternativně, když je modulátor ve stavu nízkého Q, může být do dutiny prostřednictvím modulátoru připojen externě generovaný paprsek . Toho lze použít k „osazení“ dutiny paprskem, který má požadované vlastnosti (například příčný režim nebo vlnová délka). Když se zvedne Q, z původního semene se vytvoří lasování, které vytvoří Q-spínaný impuls, který má vlastnosti zděděné ze semene.

Pasivní Q-přepínání

V tomto případě je Q-přepínač saturovatelným absorbérem , materiálem, jehož propustnost se zvyšuje, když intenzita světla překročí určitou prahovou hodnotu. Materiálem může být krystal dopovaný ionty, jako je Cr: YAG , který se používá pro Q-přepínání Nd: YAG laserů , bělitelné barvivo nebo pasivní polovodičové zařízení. Zpočátku je ztráta absorbéru vysoká, ale stále dostatečně nízká na to, aby umožnila určité lasování, jakmile je do ziskového média uloženo velké množství energie. Jak se výkon laseru zvyšuje, saturuje absorbér, tj. Rychle snižuje ztrátu rezonátoru, takže výkon se může zvyšovat ještě rychleji. V ideálním případě to přivede absorbér do stavu s nízkými ztrátami, což umožní efektivní extrakci uložené energie laserovým pulsem. Po impulsu se absorbér vrátí do stavu s vysokou ztrátou, než se zisk obnoví, takže další puls se zpomalí, dokud se energie v médiu zisku plně nedoplní. Rychlost opakování pulzu lze ovládat pouze nepřímo, např. Změnou výkonu laserového čerpadla a množství saturovatelného absorbéru v dutině. Přímé řízení rychlosti opakování lze dosáhnout použitím pulzního zdroje pumpy a pasivního Q-přepínání.

Varianty

Regenerační zesilovač. Červená čára: Laserový paprsek. Červené pole: Zisk střední. Top: AOM -based design. Dole: Pockelův buněčný design vyžaduje tenkovrstvé polarizátory. Směr vyzařovaného impulsu závisí na načasování.

Chvění lze snížit tím, že se Q tolik nesníží, takže v dutině může stále cirkulovat malé množství světla. To poskytuje „semeno“ světla, které může pomoci při nahromadění dalšího Q-spínaného impulsu.

Při vyklápění dutiny jsou zrcadla na konci dutiny 100% reflexní, takže při vysokém Q není produkován žádný výstupní paprsek. Místo toho se Q-spínač používá k „vysypání“ paprsku z dutiny po časové prodlevě. Dutina Q přechází z nízké na vysokou, aby se zahájilo vytváření laseru, a poté přechází z vysoké na nízkou, aby „vysypala“ paprsek z dutiny najednou. To produkuje kratší výstupní impuls než běžné Q-přepínání. K tomu se běžně používají elektrooptické modulátory, protože je lze snadno vyrobit tak, aby fungovaly jako téměř dokonalý „přepínač“ paprsku, který svazuje paprsek z dutiny. Modulátor, který vykládá paprsek, může být stejný modulátor, který Q přepíná dutinu, nebo druhý (možná identický) modulátor. Vyhozená dutina je složitější na zarovnání než jednoduché přepínání Q a může vyžadovat řídicí smyčku pro výběr nejlepšího času, kdy se má paprsek z dutiny vysypat.

Při regenerativní amplifikaci je optický zesilovač umístěn uvnitř Q-spínané dutiny. Pulzy světla z jiného laseru („hlavní oscilátor“) jsou vstřikovány do dutiny snížením Q, aby pulz mohl vstoupit, a poté zvýšením Q omezit puls do dutiny, kde může být zesílen opakovanými průchody skrz získat střední. Pulz se pak nechá opustit dutinu pomocí jiného Q spínače.

Typický výkon

Typický laser s přepínáním Q (např. Laser Nd: YAG) s délkou rezonátoru např. 10 cm může produkovat světelné impulsy o délce několika desítek nanosekund . I když je průměrný výkon hluboko pod 1 W, špičkový výkon může být mnoho kilowattů. Rozsáhlé laserové systémy mohou produkovat Q-spínané impulsy s energiemi mnoha joulů a špičkovými výkony v gigawattové oblasti. Na druhou stranu, pasivně mikročipové lasery s přepínáním Q (s velmi krátkými rezonátory) generovaly impulsy s dobou trvání hluboko pod jednou nanosekundou a rychlostí opakování pulsů od stovek hertzů až po několik megahertzů (MHz)

Aplikace

Lasery s přepínáním Q se často používají v aplikacích, které vyžadují vysokou intenzitu laseru v nanosekundových pulzech, jako je řezání kovů nebo pulzní holografie . Nelineární optika často využívá vysokých špičkových výkonů těchto laserů a nabízí aplikace jako 3D optické ukládání dat a 3D mikrofabrikace . Lasery s přepínáním Q lze však také použít pro účely měření, například pro měření vzdálenosti ( zjišťování dosahu ) měřením doby, za kterou se puls dostane k nějakému cíli, a odraženého světla, aby se dostal zpět k odesílateli. Může být také použit v chemické dynamické studii, např . Studii relaxace teplotních skoků .

Externí zvuk
Starý (8497164706) .jpg
ikona zvuku „Rethinking Ink“ , Destillations Podcast Episode 220, Science History Institute

Lasery s přepínáním Q se také používají k odstranění tetování rozbitím inkoustových pigmentů na částice, které jsou odstraněny lymfatickým systémem těla . Úplné odstranění může trvat mezi šesti a dvaceti ošetřeními v závislosti na množství a barvě inkoustu, které jsou od sebe vzdáleny nejméně měsíc, s použitím různých vlnových délek pro různé barevné inkousty. Lasery Nd: YAG jsou v současné době nejoblíbenějšími lasery díky jejich vysokým špičkovým výkonům, vysokému počtu opakování a relativně nízkým nákladům. V roce 2013 byl na základě klinického výzkumu zaveden pikosekundový laser, který podle všeho vykazuje lepší vůli s „obtížnými“ barvami, jako je zelená a světle modrá. Lasery s přepínáním Q lze také použít k odstranění tmavých skvrn a vyřešení dalších problémů s pigmentací kůže.

Viz také

Reference

  1. ^ Früngel, Frank BA (2014). Optické pulsy - Lasery - Techniky měření . Akademický tisk. p. 192. ISBN 9781483274317. Citováno 1. února 2015 .
  2. ^ Taylor, Nick (2000). LASER: Vynálezce, laureát Nobelovy ceny a třicetiletá patentová válka . New York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0.p. 93.
  3. ^ McClung, FJ; Hellwarth, RW (1962). „Obrovské optické pulzace z rubínu“. Journal of Applied Physics . 33 (3): 828–829. Bibcode : 1962JAP .... 33..828M . doi : 10,1063/1,1777174 .
  4. ^ Laserový vynálezce . Springerovy životopisy. 2018. doi : 10.1007/978-3-319-61940-8 . ISBN 978-3-319-61939-2.
  5. ^ . doi : 10,1364/NLO.2011.NWA2 . Citační deník vyžaduje |journal=( pomoc );Chybí nebo je prázdný |title=( nápověda )
  6. ^ . doi : 10,1126/věda.156.3782.1557 . Citační deník vyžaduje |journal=( pomoc );Chybí nebo je prázdný |title=( nápověda )
  7. ^ . doi : 10,1016/0375-9601 (68) 90584-7 . Citační deník vyžaduje |journal=( pomoc );Chybí nebo je prázdný |title=( nápověda )
  8. ^ Reiner, JE; Robertson, JWF; Burden, DL; Burden, LK; Balijepalli, A .; Kasianowicz, JJ (2013). „Teplotní sochařství v objemech Yoctoliter“ . Journal of the American Chemical Society . 135 (8): 3087–3094. doi : 10,1021/ja309892e . ISSN 0002-7863 . PMC 3892765 . PMID 23347384 .    
  9. ^ Klett, Joseph (2018). „Druhá šance“ . Destilace . Ústav dějin vědy . 4 (1): 12–23 . Citováno 27. června 2018 .