Q-anahtarlama - Q-switching

Bazen dev darbe oluşumu veya Q bozulması olarak bilinen Q-anahtarlama , darbeli bir çıkış ışını üretmek için bir lazerin yapılabileceği bir tekniktir . Teknik, sürekli dalga (sabit çıkış) modunda çalışıyor olsaydı aynı lazer tarafından üretilecek olandan çok daha yüksek, son derece yüksek ( gigawatt ) tepe gücüne sahip ışık darbelerinin üretilmesine izin verir . Lazerlerle darbe üretimi için başka bir teknik olan model kilitleme ile karşılaştırıldığında , Q-anahtarlama çok daha düşük darbe tekrarlama oranlarına, çok daha yüksek darbe enerjilerine ve çok daha uzun darbe sürelerine yol açar. İki teknik bazen birlikte uygulanır.

Q-anahtarlama ilk olarak 1958'de Gordon Gould tarafından önerildi ve bağımsız olarak 1961 veya 1962'de RW Hellwarth ve FJ McClung tarafından Hughes Araştırma Laboratuvarlarında bir yakut lazerde elektrikle anahtarlanan Kerr hücre kepenkleri kullanılarak keşfedildi ve gösterildi . Q-anahtarlama gibi optik doğrusal olmayanlar , bu çalışma için 1981'de Nobel ödülünü kazanan Nicolaas Bloembergen tarafından tam olarak açıklandı .

Q-anahtarlama prensibi

Q-anahtarlama, lazerin optik rezonatörünün içine bir tür değişken zayıflatıcı yerleştirilerek elde edilir . Zayıflatıcı çalışırken , kazanç ortamından çıkan ışık geri dönmez ve lazer işlemi başlamaz. Boşluk içindeki bu zayıflama , optik rezonatörün Q faktörü veya kalite faktöründeki bir azalmaya karşılık gelir . Yüksek bir Q faktörü, gidiş dönüş başına düşük rezonatör kayıplarına karşılık gelir ve bunun tersi de geçerlidir. Değişken zayıflatıcı, bu amaç için kullanıldığında genellikle "Q-switch" olarak adlandırılır.

Başlangıçta lazer ortamı pompalanırken , Q anahtarı ışığın kazanç ortamına geri beslemesini önleyecek şekilde ayarlanır (düşük Q'lu bir optik rezonatör üretir). Bu, bir popülasyon inversiyonu üretir , ancak rezonatörden herhangi bir geri besleme olmadığı için lazer işlemi henüz gerçekleşemez. Uyarılmış emisyon oranı ortama giren ışığın miktarına bağlı olduğundan, ortam pompalandıkça kazanç ortamında depolanan enerji miktarı artar. Kendiliğinden emisyon ve diğer süreçlerden kaynaklanan kayıplar nedeniyle , belirli bir süre sonra depolanan enerji bir miktar maksimum seviyeye ulaşacaktır; ortamın kazanca doymuş olduğu söylenir . Bu noktada, Q-anahtar cihazı düşük Q'dan yüksek Q'ya hızla değiştirilir, bu da geri bildirime ve uyarılmış emisyonla optik amplifikasyon sürecinin başlamasına izin verir . Kazanç ortamında halihazırda depolanmış olan büyük miktarda enerji nedeniyle, lazer rezonatöründeki ışığın yoğunluğu çok hızlı bir şekilde oluşur; bu aynı zamanda ortamda depolanan enerjinin de neredeyse aynı hızla tükenmesine neden olur. Net sonuç, çok yüksek bir tepe yoğunluğuna sahip olabilen, dev bir darbe olarak bilinen lazerden çıkan kısa bir ışık darbesidir.

İki ana Q-anahtarlama türü vardır:

Aktif Q-anahtarlama

Burada Q-switch, harici olarak kontrol edilen bir değişken zayıflatıcıdır. Bu, boşluk içine yerleştirilmiş bir deklanşör, doğrayıcı tekerlek veya dönen ayna/prizma gibi mekanik bir cihaz olabilir veya (daha yaygın olarak) bir akustik-optik cihaz, bir manyeto-optik efekt cihazı gibi bir tür modülatör olabilir. veya bir elektro-optik cihaz – bir Pockels hücresi veya Kerr hücresi . Kayıpların azalması (Q'nun artması), tipik olarak bir elektrik sinyali gibi harici bir olay tarafından tetiklenir. Darbe tekrarlama hızı bu nedenle harici olarak kontrol edilebilir. Modülatörler genellikle düşük Q'dan yüksek Q'ya daha hızlı geçişe izin verir ve daha iyi kontrol sağlar. Modülatörlerin ek bir avantajı, reddedilen ışığın boşluktan bağlanabilmesi ve başka bir şey için kullanılabilmesidir. Modülatörü, düşük-Q halde olduğunda, alternatif olarak, bir harici olarak oluşturulan huzme bağlanabilmektedir içine modülatör üzerinden boşluğa. Bu, istenen özelliklere ( enine mod veya dalga boyu gibi) sahip bir ışınla kaviteyi "tohumlamak" için kullanılabilir . Q yükseltildiğinde, ilk tohumdan kalıcılık oluşur ve tohumdan miras alınan özelliklere sahip Q-anahtarlı bir darbe üretir.

Pasif Q-anahtarlama

Bu durumda, Q-switch doyurulabilir bir emicidir , ışık yoğunluğu bir eşiği aştığında iletimi artan bir malzemedir. Malzeme , Nd:YAG lazerlerin Q-anahtarlamasında kullanılan Cr:YAG gibi iyon katkılı bir kristal , ağartılabilir bir boya veya pasif bir yarı iletken cihaz olabilir. Başlangıçta, soğurucunun kaybı yüksektir, ancak yine de kazanç ortamında büyük miktarda enerji depolandığında bir miktar kalıcılığa izin verecek kadar düşüktür. Lazer gücü arttıkça soğurucuyu doyurur, yani rezonatör kaybını hızla azaltır, böylece güç daha da hızlı artabilir. İdeal olarak, bu, lazer darbesi tarafından depolanan enerjinin verimli bir şekilde çıkarılmasına izin vermek için emiciyi düşük kayıplı bir duruma getirir. Darbeden sonra, soğurucu, kazanç geri yüklenmeden önce yüksek kayıp durumuna geri döner, böylece bir sonraki darbe, kazanç ortamındaki enerji tamamen yenilenene kadar ertelenir. Darbe tekrarlama oranı, örneğin lazerin pompa gücü ve boşluktaki doyurulabilir emici miktarı değiştirilerek yalnızca dolaylı olarak kontrol edilebilir . Tekrarlama hızının doğrudan kontrolü, darbeli bir pompa kaynağının yanı sıra pasif Q-anahtarlama kullanılarak elde edilebilir.

Varyantlar

Rejeneratif amplifikatör. Kırmızı çizgi: Lazer ışını. Kırmızı kutu: Orta kazanç. Üst: AOM tabanlı tasarım. Alt: Pockel'in hücre tabanlı tasarımı, ince film polarizörlerine ihtiyaç duyar. Yayılan darbenin yönü zamanlamaya bağlıdır.

Titreşim , Q'yu o kadar düşürmeyerek azaltılabilir, böylece boşlukta az miktarda ışık hala dolaşabilir. Bu, bir sonraki Q-anahtarlı darbenin oluşmasına yardımcı olabilecek bir ışık "tohumu" sağlar.

Kavite boşaltma ile kavite uç aynaları %100 yansıtıcıdır, böylece Q yüksek olduğunda çıkış ışını üretilmez. Bunun yerine, bir zaman gecikmesinden sonra ışını boşluktan "atmak" için Q anahtarı kullanılır. Q boşluğu, lazer oluşumunu başlatmak için düşükten yükseğe doğru gider ve ardından ışını boşluktan bir kerede "dökmek" için yüksekten düşüğe gider. Bu, normal Q-anahtarlamadan daha kısa bir çıkış darbesi üretir. Elektro-optik modülatörler normalde bunun için kullanılır, çünkü bunlar, ışını boşluktan çıkarmak için mükemmele yakın bir ışın "anahtar" olarak işlev görecek şekilde kolayca yapılabilir. Işını boşaltan modülatör, boşluğu Q-anahtarlayan aynı modülatör veya ikinci (muhtemelen aynı) bir modülatör olabilir. Boşaltılmış bir boşluğun hizalanması basit Q-anahtarlamaya göre daha karmaşıktır ve ışını boşluktan boşaltmak için en iyi zamanı seçmek için bir kontrol döngüsüne ihtiyaç duyabilir .

Rejeneratif amplifikasyonda, Q-anahtarlı bir boşluğun içine bir optik amplifikatör yerleştirilir. Başka bir lazerden ("ana osilatör") gelen ışık darbeleri, nabzın girmesine izin vermek için Q'yu düşürerek ve ardından nabzı boşluğa hapsetmek için Q'yu artırarak boşluğa enjekte edilir, burada tekrarlanan geçişlerle amplifiye edilebilir. orta kazanın. Daha sonra darbenin başka bir Q anahtarı aracılığıyla kaviteyi terk etmesine izin verilir.

Tipik performans

Örneğin 10 cm'lik bir rezonatör uzunluğuna sahip tipik bir Q-anahtarlı lazer (örneğin bir Nd:YAG lazer), birkaç on nanosaniye süreli ışık darbeleri üretebilir . Ortalama güç 1 W'ın çok altında olduğunda bile, tepe güç birçok kilovat olabilir. Büyük ölçekli lazer sistemleri, gigawatt bölgesinde birçok joule ve tepe gücü enerjilerine sahip Q-anahtarlı darbeler üretebilir. Öte yandan, pasif olarak Q-anahtarlı mikroçip lazerler (çok kısa rezonatörlü), bir nanosaniyenin çok altında sürelerde darbeler ve yüzlerce hertz'den birkaç megahertz'e (MHz) darbe tekrarlama oranları üretti.

Uygulamalar

Q-anahtarlı lazerler, metal kesme veya darbeli holografi gibi nanosaniye darbelerinde yüksek lazer yoğunlukları gerektiren uygulamalarda sıklıkla kullanılır . Doğrusal olmayan optikler genellikle bu lazerlerin yüksek tepe güçlerinden yararlanarak 3D optik veri depolama ve 3D mikrofabrikasyon gibi uygulamalar sunar . Bununla birlikte, Q-anahtarlı lazerler , darbenin bir hedefe ulaşması için geçen süreyi ve yansıyan ışığın göndericiye geri dönmesi için geçen süreyi ölçerek mesafe ölçümleri ( menzil bulma ) gibi ölçüm amaçları için de kullanılabilir . Kimyasal dinamik çalışmada da kullanılabilir , örneğin sıcaklık sıçraması gevşeme çalışması.

Harici ses
Eski (8497164706).jpg
ses simgesi “Rethinking Ink” , Distillations Podcast Bölüm 220, Bilim Tarihi Enstitüsü

Q-anahtarlı lazerler ayrıca, mürekkep pigmentlerini vücudun lenfatik sistemi tarafından temizlenen parçacıklara parçalayarak dövmeleri kaldırmak için kullanılır . Farklı renkli mürekkepler için farklı dalga boyları kullanılarak, en az bir ay arayla, mürekkebin miktarına ve rengine bağlı olarak tam çıkarma altı ila yirmi işlem arasında sürebilir . Nd:YAG lazerler, yüksek tepe güçleri, yüksek tekrarlama oranları ve nispeten düşük maliyetleri nedeniyle günümüzde en çok tercih edilen lazerlerdir. 2013 yılında, yeşil ve açık mavi gibi 'zor' renklerle daha iyi açıklık gösterdiği görülen klinik araştırmalara dayalı olarak bir pikosaniye lazer piyasaya sürüldü. Q-anahtarlı lazerler, koyu lekeleri gidermek ve diğer cilt pigmentasyon sorunlarını gidermek için de kullanılabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Früngel, Frank BA (2014). Optik Darbeler - Lazerler - Ölçme Teknikleri . Akademik Basın. P. 192. ISBN 9781483274317. Erişim tarihi: 1 Şubat 2015 .
  2. ^ Taylor, Nick (2000). LAZER: Mucit, Nobel ödüllü ve otuz yıllık patent savaşı . New York: Simon & Schuster. ISBN'si 0-684-83515-0.P. 93.
  3. ^ McClung, FJ; Hellwarth, RW (1962). "Yakuttan dev optik titreşimler". Uygulamalı Fizik Dergisi . 33 (3): 828-829. Bibcode : 1962JAP....33..828M . doi : 10.1063/1.1777174 .
  4. ^ Lazer Mucit . Springer Biyografileri. 2018. doi : 10.1007/978-3-319-61940-8 . ISBN'si 978-3-319-61939-2.
  5. ^ . doi : 10.1364/NLO.2011.NWA2 . Cite dergisinin ihtiyacı |journal=( yardım );Eksik veya boş |title=( yardım )
  6. ^ . doi : 10.1126/science.156.3782.1557 . Cite dergisinin ihtiyacı |journal=( yardım );Eksik veya boş |title=( yardım )
  7. ^ . doi : 10.1016/0375-9601(68)90584-7 . Cite dergisinin ihtiyacı |journal=( yardım );Eksik veya boş |title=( yardım )
  8. ^ Reiner, JE; Robertson, JWF; Yük, DL; Yük, LK; Balijepalli, A.; Kasianowicz, JJ (2013). "Yoctoliter Hacimlerinde Sıcaklık Şekillendirme" . Amerikan Kimya Derneği Dergisi . 135 (8): 3087–3094. doi : 10.1021/ja309892e . ISSN 0002-7863 . PMC 3892765 . PMID 23347384 .    
  9. ^ Klett, Joseph (2018). "İkinci Şans" . Damıtmalar . Bilim Tarihi Enstitüsü . 4 (1): 12–23 . 27 Haziran 2018'de alındı .