Q-переключение
Q-переключение , иногда известное как формирование гигантского импульса или добротность , [1] 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 превышающей ту, которую мог бы производить тот же лазер, если бы он работал в режиме непрерывной волны (постоянная мощность). По сравнению с синхронизацией моделей , еще одним методом генерации импульсов с помощью лазеров, модуляция добротности приводит к гораздо более низкой частоте повторения импульсов, гораздо более высокой энергии импульсов и гораздо большей длительности импульсов. Эти два метода иногда применяются вместе.
Модификация добротности была впервые предложена в 1958 году Гордоном Гулдом . [2] и независимо обнаружен и продемонстрирован в 1961 или 1962 годах Р. У. Хеллвартом и Ф. Дж. МакКлюнгом в исследовательских лабораториях Хьюза с использованием электрически переключаемых ячеек Керра затворов в рубиновом лазере . [3] Оптические нелинейности, такие как модуляция добротности, были полностью объяснены Николаасом Бломбергеном , получившим Нобелевскую премию в 1981 году. за эту работу [4] [5] [6] [7]
Принцип добротности
[ редактировать ]Переключение добротности достигается путем помещения некоторого типа регулируемого аттенюатора лазера внутри оптического резонатора . При работе аттенюатора свет, покинувший усиливающую среду , не возвращается, и генерация не может начаться. Это затухание внутри резонатора соответствует уменьшению добротности или добротности оптического резонатора . Высокая добротность соответствует низким потерям в резонаторе за один проход, и наоборот. Когда он используется для этой цели, переменный аттенюатор обычно называют «переключателем добротности».
Первоначально лазерная среда накачивается , а добротность установлена так, чтобы предотвратить обратную связь света с усиливающей средой (создавая оптический резонатор с низкой добротностью). Это приводит к инверсии населенности , но работа лазера пока невозможна, поскольку отсутствует обратная связь с резонатором. Поскольку скорость стимулированного излучения зависит от количества света, попадающего в среду, количество энергии, запасенной 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; Говорят, что среда насыщена усилением . В этот момент добротность устройства быстро переключается с низкой на высокую добротность, позволяя обратную связь и процесс оптического усиления начать за счет стимулированного излучения. Из-за большого количества энергии, уже запасенной в усиливающей среде, интенсивность света в лазерном резонаторе нарастает очень быстро; это также приводит к почти столь же быстрому истощению энергии, запасенной в среде. Конечным результатом является короткий импульс излучения лазера, известный как гигантский импульс , который может иметь очень высокую пиковую интенсивность.
Существует два основных типа переключения добротности:
Активная добротность
[ редактировать ]Здесь Q-переключатель представляет собой регулируемый аттенюатор с внешним управлением. Это может быть механическое устройство, такое как затвор, измельчающее колесо или вращающееся зеркало/призма, помещенное внутри резонатора, или (чаще) это может быть некоторая форма модулятора, например акустооптическое устройство, магнитооптического эффекта устройство . или электрооптическое устройство – ячейка Поккельса или ячейка Керра . Уменьшение потерь (увеличение Q) инициируется внешним событием, обычно электрическим сигналом. Таким образом, частотой повторения импульсов можно управлять извне. Модуляторы обычно обеспечивают более быстрый переход от низкой добротности к высокой и обеспечивают лучший контроль. Дополнительным преимуществом модуляторов является то, что отраженный свет можно вывести из резонатора и использовать для чего-то другого. Альтернативно, когда модулятор находится в состоянии с низкой добротностью, внешне генерируемый луч может быть введен в резонатор через модулятор. Это можно использовать для «засеивания» полости пучком с желаемыми характеристиками (например, поперечной модой). или длина волны). Когда добротность увеличивается, генерация нарастает из исходного затравки, создавая импульс с модуляцией добротности, характеристики которого унаследованы от затравки.
Пассивная добротность
[ редактировать ]В этом случае добротность представляет собой насыщающийся поглотитель , материал, пропускание которого увеличивается, когда интенсивность света превышает некоторый порог. Материал может представлять собой кристалл, легированный ионами, такой как Cr:YAG , который используется для модуляции добротности Nd:YAG-лазеров , отбеливающий краситель или пассивное полупроводниковое устройство. Первоначально потери поглотителя высоки, но все же достаточно малы, чтобы обеспечить некоторую генерацию, когда в усиливающей среде накоплено большое количество энергии. По мере увеличения мощности лазера он насыщает поглотитель, т. е. быстро уменьшает потери в резонаторе, так что мощность может возрастать еще быстрее. В идеале это приводит поглотитель в состояние с низкими потерями, позволяющее эффективно извлекать запасенную энергию лазерным импульсом. После импульса поглотитель возвращается в состояние с большими потерями до восстановления усиления, так что следующий импульс задерживается до тех пор, пока энергия в усиливающей среде не будет полностью восполнена. лазера Частотой повторения импульсов можно управлять лишь косвенно, например, изменяя мощность накачки и количество насыщающегося поглотителя в резонаторе. Прямого управления частотой повторения можно добиться с помощью источника импульсной накачки, а также пассивной модуляции добротности.
Варианты
[ редактировать ]
Джиттер можно уменьшить, если не уменьшать добротность настолько сильно, чтобы небольшое количество света все еще могло циркулировать в резонаторе. Это обеспечивает «зародыш» света, который может помочь в формировании следующего импульса с модуляцией добротности.
При сбросе резонатора торцевые зеркала резонатора на 100% отражают, поэтому при высоком добротности выходной луч не образуется. Вместо этого используется добротность, которая «выбрасывает» луч из резонатора после некоторой задержки. Q резонатора меняется от низкого к высокому, чтобы начать наращивание лазера, а затем переходит от высокого к низкому, чтобы «выбросить» луч из резонатора сразу. Это дает более короткий выходной импульс, чем обычное Q-переключение. Для этого обычно используются электрооптические модуляторы, поскольку их можно легко заставить работать как почти идеальный «переключатель» луча для вывода луча из резонатора. Модулятором, который сбрасывает луч, может быть тот же модулятор, который переключает добротность резонатора, или второй (возможно, идентичный) модулятор. Выгруженный резонатор сложнее настроить, чем простое переключение добротности, и может потребоваться контур управления , чтобы выбрать наилучшее время для вывода луча из резонатора.
При регенеративном усилении оптический усилитель помещается внутри резонатора с модуляцией добротности. Импульсы света от другого лазера («задающего генератора») вводятся в резонатор путем снижения добротности, чтобы позволить импульсу войти, а затем увеличения добротности, чтобы ограничить импульс резонатором, где он может быть усилен путем повторных проходов через резонатор. получить средний результат. Затем импульсу позволяют покинуть резонатор через другой переключатель добротности.
Типичная производительность
[ редактировать ]Типичный лазер с модуляцией добротности (например, Nd:YAG-лазер) с длиной резонатора, например, 10 см, может генерировать световые импульсы длительностью в несколько десятков наносекунд . Даже если средняя мощность значительно ниже 1 Вт, пиковая мощность может достигать многих киловатт. Крупномасштабные лазерные системы могут генерировать импульсы с модуляцией добротности с энергией во многие джоули и пиковой мощностью в диапазоне гигаватт. С другой стороны, микрочиповые лазеры с пассивной модуляцией добротности (с очень короткими резонаторами) генерируют импульсы длительностью намного меньше одной наносекунды и частотой повторения импульсов от сотен герц до нескольких мегагерц (МГц).
Приложения
[ редактировать ]Лазеры с модуляцией добротности часто используются в приложениях, требующих высокой интенсивности лазерного излучения в наносекундных импульсах, таких как резка металлов или импульсная голография . Нелинейная оптика часто использует преимущества высоких пиковых мощностей этих лазеров, предлагая такие приложения, как трехмерное оптическое хранение данных и трехмерное микропроизводство . Однако лазеры с модуляцией добротности также можно использовать в целях измерения, например, для измерения расстояний ( определения дальности ), измеряя время, необходимое импульсу, чтобы добраться до некоторой цели, и отраженному свету, чтобы вернуться к отправителю. Его также можно использовать в химико-динамических исследованиях, например, температурных скачков в исследовании релаксации . [8]
| Внешний звук | |
|---|---|
 | |
 «Переосмысление чернил» , эпизод 220 подкаста Distillations , Институт истории науки |
Лазеры с модуляцией добротности также используются для удаления татуировок организма путем разрушения пигментов чернил на частицы, которые очищаются лимфатической системой . Полное удаление может занять от шести до двадцати процедур в зависимости от количества и цвета чернил с интервалом не менее месяца и использованием разных длин волн для чернил разного цвета. [9] Лазеры Nd:YAG в настоящее время являются наиболее предпочтительными лазерами из-за их высокой пиковой мощности, высокой частоты повторения и относительно низкой стоимости. В 2013 году на основе клинических исследований был представлен пикосекундный лазер, который, по-видимому, обеспечивает лучшую очистку от трудноудаляемых цветов, таких как зеленый и голубой. [ нужна ссылка ] Лазеры с модуляцией добротности также можно использовать для удаления темных пятен и устранения других проблем с пигментацией кожи. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фрюнгель, Франк Б.А. (2014). Оптические импульсы - Лазеры - Измерительная техника . Академическая пресса. п. 192. ИСБН 9781483274317 . Проверено 1 февраля 2015 г.
- ^ Тейлор, Ник (2000). ЛАЗЕР: изобретатель, нобелевский лауреат и тридцатилетняя патентная война . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 0-684-83515-0 . п. 93.
- ^ МакКлунг, Ф.Дж.; Хеллварт, RW (1962). «Гигантские оптические пульсации рубина». Журнал прикладной физики . 33 (3): 828–829. Бибкод : 1962JAP....33..828M . дои : 10.1063/1.1777174 .
- ^ Лазерный изобретатель . Биографии Спрингера. 2018. doi : 10.1007/978-3-319-61940-8 . ISBN 978-3-319-61939-2 .
- ^ Блумберген, Николаас (2011). «Рождение нелинейной оптики». Нелинейная оптика : NWA2. дои : 10.1364/nlo.2011.nwa2 . ISBN 978-1-55752-915-2 .
- ^ ДеМария, Эй Джей; Стетцер, Д.А.; Гленн, Вашингтон (23 июня 1967 г.). «Сверхкороткие световые импульсы». Наука . 156 (3782): 1557–1568. Бибкод : 1967Sci...156.1557D . дои : 10.1126/science.156.3782.1557 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17797635 . S2CID 27074052 .
- ^ Трейси, Э.Б. (1968). «Сжатие пикосекундных световых импульсов». Буквы по физике А. 28 (1): 34–35. Бибкод : 1968PhLA...28...34T . дои : 10.1016/0375-9601(68)90584-7 .
- ^ Райнер, Дж. Э.; Робертсон, JWF; Берден, Д.Л.; Берден, ЛК; Балиепалли, А.; Касьянович, Джей Джей (2013). «Температурное моделирование в йоктолитровых объемах» . Журнал Американского химического общества . 135 (8): 3087–3094. дои : 10.1021/ja309892e . ISSN 0002-7863 . ПМЦ 3892765 . ПМИД 23347384 .
- ^ Клетт, Джозеф (2018). «Второй шанс» . Дистилляции . 4 (1). Институт истории науки : 12–23 . Проверено 27 июня 2018 г.
