Q-switching , иногда называемый формированием гигантского импульса или Q-spoiling , [1] — это метод, с помощью которого лазер может производить импульсный выходной луч. Этот метод позволяет производить световые импульсы с чрезвычайно высокой ( гигаваттной ) пиковой мощностью , намного выше, чем тот же лазер, работающий в режиме непрерывной волны (постоянный выход). По сравнению с modellocking , другим методом генерации импульсов с помощью лазеров, Q-switching приводит к гораздо более низкой частоте повторения импульсов, гораздо более высокой энергии импульсов и гораздо большей длительности импульсов. Эти два метода иногда применяются вместе.
Модуляция добротности была впервые предложена в 1958 году Гордоном Гулдом [2] и независимо открыта и продемонстрирована в 1961 или 1962 году Р. В. Хеллвартом и Ф. Дж. МакКлангом в исследовательских лабораториях Хьюза с использованием электрически переключаемых затворов ячейки Керра в рубиновом лазере [ 3] Оптические нелинейности, такие как модуляция добротности, были полностью объяснены Николаасом Бломбергеном , который получил Нобелевскую премию в 1981 году за эту работу [4] [5] [6] [7]
Модуляция добротности достигается путем помещения некоторого типа переменного аттенюатора внутрь оптического резонатора лазера . Когда аттенюатор функционирует, свет, который покидает среду усиления, не возвращается, и генерация лазерного излучения не может начаться. Это ослабление внутри полости соответствует уменьшению добротности или фактора качества оптического резонатора . Высокий фактор добротности соответствует низким потерям резонатора за цикл и наоборот. Переменный аттенюатор обычно называют «модулятором добротности», когда он используется для этой цели.
Первоначально лазерная среда накачивается , в то время как Q-переключатель настроен на предотвращение обратной связи света в усиливающую среду (создавая оптический резонатор с низкой добротностью). Это создает инверсию населенности , но работа лазера еще не может произойти, поскольку нет обратной связи от резонатора. Поскольку скорость вынужденного излучения зависит от количества света, поступающего 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 устройство Q-переключателя быстро переключается с низкой на высокую добротность, позволяя начаться обратной связи и процессу оптического усиления за счет вынужденного излучения. Из-за большого количества энергии, уже запасенной в усиливающей среде, интенсивность света в лазерном резонаторе нарастает очень быстро; это также приводит к тому, что энергия, запасенная в среде, истощается почти так же быстро. Конечным результатом является короткий импульс света, испускаемый лазером, известный как гигантский импульс , который может иметь очень высокую пиковую интенсивность.
Существует два основных типа модуляции добротности:
Здесь Q-переключатель — это управляемый извне переменный аттенюатор. Это может быть механическое устройство, такое как затвор, колесо прерывателя или вращающееся зеркало/призма, помещенное внутрь 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, как правило, электрическим сигналом. Поэтому частота повторения импульсов может управляться извне. Модуляторы обычно позволяют быстрее переходить от низкой к высокой Q и обеспечивают лучший контроль. Дополнительным преимуществом модуляторов является то, что отклоненный свет может быть связан из полости и может быть использован для чего-то другого. В качестве альтернативы, когда модулятор находится в состоянии низкой Q, внешне сгенерированный луч может быть связан с полостью через модулятор. Это может быть использовано для «засевания» полости лучом, который имеет желаемые характеристики (такие как поперечная мода или длина волны). При повышении добротности лазерная генерация нарастает из начального затравочного импульса, создавая импульс с модуляцией добротности, характеристики которого унаследованы от затравочного импульса.
В этом случае Q-переключатель представляет собой насыщаемый поглотитель , материал, пропускание которого увеличивается, когда интенсивность света превышает некоторый порог. Материалом может быть ионно-легированный кристалл, такой как Cr:YAG , который используется для модуляции добротности лазеров Nd:YAG , отбеливаемый краситель или пассивное полупроводниковое устройство. Первоначально потери поглотителя высоки, но все еще достаточно низки, чтобы обеспечить некоторую генерацию после того, как большое количество энергии будет сохранено в среде усиления. По мере увеличения мощности лазера он насыщает поглотитель, т. е. быстро снижает потери резонатора, так что мощность может увеличиваться еще быстрее. В идеале это приводит поглотитель в состояние с низкими потерями, чтобы обеспечить эффективное извлечение сохраненной энергии лазерным импульсом. После импульса поглотитель восстанавливается до своего состояния с высокими потерями до восстановления усиления, так что следующий импульс задерживается до тех пор, пока энергия в среде усиления не будет полностью восполнена. Частоту повторения импульсов можно контролировать только косвенно, например, изменяя мощность накачки лазера и количество насыщающегося поглотителя в резонаторе. Прямое управление частотой повторения может быть достигнуто с помощью импульсного источника накачки, а также пассивной модуляции добротности.
Джиттер можно уменьшить, не уменьшая Q так сильно, так что небольшое количество света все еще может циркулировать в полости. Это обеспечивает «семя» света, которое может помочь в наращивании следующего импульса с модуляцией добротности.
При сбросе полости зеркала на конце полости на 100% отражают, так что выходной луч не создается, когда добротность высока. Вместо этого используется переключатель добротности, чтобы «сбросить» луч из полости после задержки по времени. Добротность полости переходит от низкого к высокому, чтобы начать наращивание лазера, а затем переходит от высокого к низкому, чтобы «сбросить» луч из полости сразу. Это создает более короткий выходной импульс, чем обычная модуляция добротности. Для этого обычно используются электрооптические модуляторы, поскольку их можно легко заставить работать как почти идеальный «переключатель» луча, чтобы вывести луч из полости. Модулятор, который сбрасывает луч, может быть тем же модулятором, который переключает добротность полости, или вторым (возможно, идентичным) модулятором. Сбросную полость сложнее настроить, чем простую модуляцию добротности, и может потребоваться контур управления для выбора наилучшего времени сброса луча из полости.
При регенеративном усилении оптический усилитель помещается внутрь полости с модуляцией добротности. Импульсы света от другого лазера («главного генератора») вводятся в полость путем понижения добротности, чтобы импульс мог войти, а затем повышения добротности, чтобы ограничить импульс полостью, где он может быть усилен повторными проходами через среду усиления. Затем импульсу разрешается покинуть полость с помощью другого модуляции добротности.
Типичный лазер с модуляцией добротности (например, лазер Nd:YAG) с длиной резонатора, например, 10 см может производить световые импульсы длительностью в несколько десятков наносекунд . Даже когда средняя мощность значительно ниже 1 Вт, пиковая мощность может составлять много киловатт. Крупномасштабные лазерные системы могут производить импульсы с модуляцией добротности с энергией во много джоулей и пиковой мощностью в гигаваттной области. С другой стороны, пассивно модуляционные лазеры на микрочипах (с очень короткими резонаторами) генерируют импульсы длительностью намного ниже одной наносекунды и частотой повторения импульсов от сотен герц до нескольких мегагерц (МГц)
Лазеры с модуляцией добротности часто используются в приложениях, требующих высокой интенсивности лазерного излучения в наносекундных импульсах, таких как резка металла или импульсная голография . Нелинейная оптика часто использует преимущества высокой пиковой мощности этих лазеров, предлагая такие приложения, как 3D-оптическое хранение данных и 3D-микрообработка . Однако лазеры с модуляцией добротности также могут использоваться для измерительных целей, например, для измерения расстояний ( дальномер ) путем измерения времени, необходимого импульсу для достижения некоторой цели и отраженному свету для возвращения к отправителю. Его также можно использовать в химических динамических исследованиях, например, в исследовании релаксации скачков температуры . [8]
Лазеры с модуляцией добротности также используются для удаления татуировок , разбивая пигменты чернил на частицы, которые выводятся лимфатической системой организма . Полное удаление может занять от шести до двадцати процедур в зависимости от количества и цвета чернил, с интервалом не менее месяца, с использованием разных длин волн для разных цветных чернил. [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 был представлен пикосекундный лазер на основе клинических исследований, который, по-видимому, показывает лучшее удаление трудноудаляемых цветов, таких как зеленый и светло-голубой. [ необходима цитата ] Лазеры с модуляцией добротности также могут использоваться для удаления темных пятен и исправления других проблем с пигментацией кожи. [ необходима цитата ]