Q-переключение - Q-switching

Модуляция добротности , иногда известная как формирование гигантского импульса или искажение добротности , - это метод, с помощью которого можно заставить лазер генерировать импульсный выходной луч. Этот метод позволяет производить световые импульсы с чрезвычайно высокой ( гигаваттной ) пиковой мощностью , намного большей, чем мог бы быть произведен тем же лазером, если бы он работал в режиме непрерывной волны (постоянный выход). По сравнению с синхронизацией мод , другим методом генерации импульсов с помощью лазеров, модуляция добротности приводит к гораздо более низкой частоте следования импульсов, гораздо более высокой энергии импульсов и гораздо большей длительности импульсов. Эти две техники иногда применяются вместе.

Модуляция добротности была впервые предложена в 1958 году Гордоном Гулдом и независимо обнаружена и продемонстрирована в 1961 или 1962 году Р. У. Хеллвартом и Ф. Дж. МакКлангом в исследовательских лабораториях Хьюза с использованием затворов ячеек Керра с электрическим переключением в рубиновом лазере . Оптические нелинейности, такие как модуляция добротности, были полностью объяснены Николаасом Блумбергеном , получившим Нобелевскую премию в 1981 году за эту работу.

Принцип модуляции добротности

Модуляция добротности достигается за счет установки некоторого типа регулируемого аттенюатора внутри оптического резонатора лазера . Когда аттенюатор работает, свет, покидающий усиливающую среду , не возвращается, и генерация не может начаться. Это ослабление внутри полости соответствует уменьшению коэффициента Q или качества фактора в оптическом резонаторе . Высокая добротность соответствует низким потерям в резонаторе за один проход, и наоборот. Переменный аттенюатор обычно называется «добротным переключателем», когда используется для этой цели.

Первоначально лазерная среда накачивается, а добротность настроена так, чтобы предотвратить обратную связь света с усиливающей средой (создавая оптический резонатор с низкой добротностью). Это приводит к инверсии населенностей , но работа лазера пока невозможна, поскольку нет обратной связи от резонатора. Поскольку скорость стимулированного излучения зависит от количества света, попадающего в среду, количество энергии, накопленной в усиливающей среде, увеличивается по мере накачки среды. Из-за потерь от спонтанного излучения и других процессов через определенное время запасенная энергия достигнет некоторого максимального уровня; среда считается насыщенной по усилению . В этот момент добротность устройства Q-Switch быстро изменяется с низкой добротности на высокую, что позволяет начать обратную связь и процесс оптического усиления за счет стимулированного излучения. Из-за большого количества энергии, уже накопленной в усиливающей среде, интенсивность света в лазерном резонаторе нарастает очень быстро; это также приводит к тому, что энергия, запасенная в среде, почти так же быстро истощается. Конечным результатом является короткий импульс светового излучения лазера, известный как гигантский импульс , который может иметь очень высокую пиковую интенсивность.

Существует два основных типа модуляции добротности:

Активная модуляция добротности

Здесь Q-переключатель представляет собой регулируемый аттенюатор с внешним управлением. Это может быть механическое устройство, такое как заслонка, измельчающее колесо или вращающееся зеркало / призма, помещенное внутри полости, или (чаще) это может быть некоторая форма модулятора, такая как акустооптическое устройство, устройство магнитооптического эффекта. или электрооптическое устройство - ячейка Поккельса или ячейка Керра . Уменьшение потерь (увеличение Q) запускается внешним событием, обычно электрическим сигналом. Таким образом, частоту следования импульсов можно регулировать извне. Модуляторы, как правило, позволяют быстрее переходить от низкой добротности к высокой и обеспечивают лучший контроль. Дополнительным преимуществом модуляторов является то, что отраженный свет может выводиться из резонатора и использоваться для чего-то еще. В качестве альтернативы, когда модулятор находится в состоянии низкой добротности, генерируемый извне луч может быть введен в резонатор через модулятор. Это можно использовать для «затравки» полости лучом с желаемыми характеристиками (такими как поперечная мода или длина волны). Когда добротность увеличивается, генерация нарастает от начальной затравки, создавая импульс с модуляцией добротности, который имеет характеристики, унаследованные от затравки.

Пассивная модуляция добротности

В этом случае добротность представляет собой насыщающийся поглотитель , материал, пропускание которого увеличивается, когда интенсивность света превышает некоторый порог. Материал может быть ионно-легированным кристаллом, таким как Cr: YAG , который используется для модуляции добротности лазеров Nd: YAG , обесцвечиваемым красителем или пассивным полупроводниковым устройством. Первоначально потери в поглотителе велики, но все же достаточно малы, чтобы разрешить некоторую генерацию, когда в усиливающей среде накоплено большое количество энергии. По мере увеличения мощности лазера он насыщает поглотитель, т. Е. Быстро снижает потери в резонаторе, так что мощность может увеличиваться еще быстрее. В идеале это переводит поглотитель в состояние с низкими потерями, что позволяет эффективно извлекать накопленную энергию лазерным импульсом. После импульса поглотитель возвращается в состояние с высокими потерями до восстановления усиления, так что следующий импульс задерживается до тех пор, пока энергия в активной среде не будет полностью восполнена. Частотой следования импульсов можно управлять только косвенно, например, изменяя мощность накачки лазера и количество насыщающегося поглотителя в резонаторе. Прямое управление частотой следования может быть достигнуто с помощью импульсного источника накачки, а также пассивной модуляции добротности.

Варианты

Рекуперативный усилитель. Красная линия: лазерный луч. Красный прямоугольник: средний коэффициент усиления. Вверху: конструкция на основе АОМ . Внизу: конструкция ячейки Покеля требует тонкопленочных поляризаторов. Направление излучаемого импульса зависит от времени.

Джиттер можно уменьшить, не уменьшая добротность настолько сильно, чтобы небольшое количество света все еще могло циркулировать в резонаторе. Это обеспечивает «зерно» света, которое может помочь в нарастании следующего импульса с модуляцией добротности.

При демпфировании резонатора торцевые зеркала резонатора отражают на 100%, так что выходной луч не создается при высоком значении добротности. Вместо этого Q-переключатель используется для «сброса» луча из резонатора после временной задержки. Резонатор Q переходит от низкого к высокому, чтобы начать нарастание лазера, а затем переходит от высокого к низкому, чтобы «сбросить» луч из резонатора сразу. Это дает более короткий выходной импульс, чем обычная модуляция добротности. Для этого обычно используются электрооптические модуляторы, поскольку их можно легко заставить функционировать в качестве почти идеального «переключателя» луча для вывода луча из резонатора. Модулятор, который сбрасывает луч, может быть тем же модулятором, который переключает добротность резонатора, или вторым (возможно, идентичным) модулятором. Выгруженный резонатор сложнее выровнять, чем простая модуляция добротности, и может потребоваться контур управления, чтобы выбрать наилучшее время для сброса луча из резонатора.

При регенеративном усилении оптический усилитель размещается внутри резонатора с модуляцией добротности. Импульсы света от другого лазера («задающий генератор») вводятся в резонатор путем снижения Q, чтобы позволить импульсу войти, и затем увеличения Q, чтобы ограничить импульс в полости, где он может быть усилен повторными проходами через получить средний. Затем импульс может покинуть полость через другой переключатель добротности.

Типичная производительность

Типичный лазер с модуляцией добротности (например, Nd: YAG-лазер) с длиной резонатора, например, 10 см, может генерировать световые импульсы длительностью несколько десятков наносекунд . Даже когда средняя мощность значительно ниже 1 Вт, пиковая мощность может составлять несколько киловатт. Крупномасштабные лазерные системы могут производить импульсы с модуляцией добротности с энергией многих джоулей и пиковой мощностью в гигаваттной области. С другой стороны, микрочиповые лазеры с пассивной модуляцией добротности (с очень короткими резонаторами) генерируют импульсы с длительностью намного меньше одной наносекунды и частотой следования импульсов от сотен герц до нескольких мегагерц (МГц).

Приложения

Лазеры с модуляцией добротности часто используются в приложениях, требующих высокой интенсивности лазера в наносекундных импульсах, таких как резка металла или импульсная голография . Нелинейная оптика часто использует преимущества высоких пиковых мощностей этих лазеров, предлагая такие приложения, как трехмерное оптическое хранение данных и трехмерное микротехнологии . Однако лазеры с модуляцией добротности также можно использовать для целей измерения, например, для измерения расстояния (определения дальности ) путем измерения времени, которое требуется, чтобы импульс достиг некоторой цели и отраженный свет вернулся к отправителю. Его также можно использовать в химико-динамических исследованиях, например, в исследовании релаксации температурных скачков .

Внешний звук
Старый (8497164706) .jpg
аудио значок «Rethinking Ink» , подкаст Distillations, серия 220, Институт истории науки

Лазеры с модуляцией добротности также используются для удаления татуировок путем дробления чернильных пигментов на частицы, которые удаляются лимфатической системой организма . Для полного удаления может потребоваться от шести до двадцати обработок в зависимости от количества и цвета чернил с интервалом не менее месяца, с использованием разных длин волн для разных цветных чернил. Nd: YAG-лазеры в настоящее время являются наиболее популярными из-за их высокой пиковой мощности, высокой частоты повторения и относительно низкой стоимости. В 2013 году был представлен пикосекундный лазер на основе клинических исследований, которые, по-видимому, показали лучший просвет с «трудными» цветами, такими как зеленый и голубой. Лазеры с модуляцией добротности также можно использовать для удаления темных пятен и устранения других проблем с пигментацией кожи.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Früngel, Фрэнк Б. (2014). Оптические импульсы - Лазеры - Измерительная техника . Академическая пресса. п. 192. ISBN. 9781483274317. Проверено 1 февраля 2015 года .
  2. ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: изобретатель, лауреат Нобелевской премии и тридцатилетняя патентная война . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 0-684-83515-0.п. 93.
  3. ^ McClung, FJ; Hellwarth, RW (1962). «Гигантские оптические пульсации от рубина». Журнал прикладной физики . 33 (3): 828–829. Bibcode : 1962JAP .... 33..828M . DOI : 10.1063 / 1.1777174 .
  4. ^ Лазерный изобретатель . Биографии Спрингера. 2018. DOI : 10.1007 / 978-3-319-61940-8 . ISBN 978-3-319-61939-2.
  5. ^ . DOI : 10,1364 / NLO.2011.NWA2 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь );Отсутствует или пусто |title=( справка )
  6. ^ . DOI : 10.1126 / science.156.3782.1557 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь );Отсутствует или пусто |title=( справка )
  7. ^ . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (68) 90584-7 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь );Отсутствует или пусто |title=( справка )
  8. ^ Райнер, JE; Робертсон, JWF; Бремя, DL; Бремя, ЛК; Balijepalli, A .; Касьянович, JJ (2013). «Температурное моделирование в объемах йоктолитров» . Журнал Американского химического общества . 135 (8): 3087–3094. DOI : 10.1021 / ja309892e . ISSN 0002-7863 . PMC 3892765 . PMID 23347384 .    
  9. ^ Клетт, Джозеф (2018). «Второй шанс» . Дистилляции . Институт истории науки . 4 (1): 12–23 . Проверено 27 июня 2018 года .