Кіріспе
Лазерлік импульстік техника
Q-коммутациясы, кейде алып импульсті қалыптастыру немесе Q-бүліну деп аталады, – лазерге импульстік шығыс сәулесін жасауға мүмкіндік беретін техника. Бұл техника өте жоғары (гигаватт) шыңдық қуатты жарық импульстарын жасауға мүмкіндік береді, бұл үздіксіз толқын (тұрақты шығыс) режимінде жұмыс істейтін сол лазерден әлдеқайда жоғары. Модельдік құлыптаумен (моделлокинг) салыстырғанда, лазерлермен импульс жасаудың тағы бір әдісі, Q-коммутациясы импульстің қайталану жиілігін төмендетіп, импульстің энергиясын арттырады және импульстің ұзақтығын ұзартады. Кейде екі техника да бірге қолданылады. Q-коммутацияны алғаш рет 1958 жылы Гордон Гулд ұсынды, ал 1961 немесе 1962 жылы Р.У. Хеллварт және Ф.Дж. МакКлунг Хьюз ғылыми-зерттеу зертханаларында рубин лазерінде электрлік басқарылатын Керр ұяшықтарының жалюзилерін пайдаланып, тәуелсіз түрде анықтады және көрсетті. Оптикалық емес сызықтық құбылыстарды, мысалы Q-коммутацияны, Николаас Блумберген толық түсіндірді, ол 1981 жылы осы жұмысы үшін Нобель сыйлығын алды.
Q switching, sometimes known as giant pulse formation or Q spoiling, is a technique by which a laser can be made to produce a pulsed output beam. The technique allows the production of light pulses with extremely high (gigawatt) peak power, much higher than would be produced by the same laser if it were operating in a continuous wave (constant output) mode. Compared to modelocking, another technique for pulse generation with lasers, Q switching leads to much lower pulse repetition rates, much higher pulse energies, and much longer pulse durations. The two techniques are sometimes applied together. Q switching was first proposed in 1958 by Gordon Gould, and independently discovered and demonstrated in 1961 or 1962 by R. W. Hellwarth and F. J. McClung at Hughes Research Laboratories using electrically switched Kerr cell shutters in a ruby laser. Optical nonlinearities such as Q switching were fully explained by Nicolaas Bloembergen, who won the Nobel prize in 1981 for this work.
Белсенді Q-қосқышты
Мұнда Q-бұғаттауышы сыртқы түрде басқарылатын өзгермелі әлсіздеткіш болып табылады. Бұл қуыстың ішінде орналасқан жалюзи, кескіш дөңгелек немесе айналмалы айна/призма сияқты механикалық құрылғы болуы мүмкін, немесе (көбінесе) акустооптикалық құрылғы, магнитооптикалық эффектіге негіделген құрылғы немесе электрооптикалық құрылғы, мысалы, Покельс жасушасы немесе Керр жасушасы болуы мүмкін. Жоғалтуларды азайту (Q-ны арттыру) әдетте электр сигналы сияқты сыртқы оқиғамен іске қосылады. Сондықтан импульстардың қайталану жиілігі сырттан басқарылуы мүмкін. Модуляторлар, әдетте, Q-ның төменнен жоғарыға өтуіне жылдамдық беруге және жақсырақ басқаруға мүмкіндік береді. Модуляторлардың қосымша артықшылығы – шығарылған жарық қуыстан шығарылып, басқа мақсаттар үшін қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, модулятордың Q-сы төмендеген кезде, сырттан жасалған сәуле модулятор арқылы қуысқа енгізілуі мүмкін. Бұл қуысты қажетті сипаттамалары бар (мысалы, көлденең мод немесе толқын ұзындығы) сәулемен "қамтамасыз етуге" пайдаланылуы мүмкін. Q көтерілгенде, бастапқы сәуледен лазерлік сәулелену пайда болады, нәтижесінде тұқымдық сипаттамаларын мұра еткен Q-бұғаттауыш импульсі құрылады.
Пассивті Q-қосқышты
Бұл жағдайда Q-бұмағы – толығатын сіңіруші, яғни жарық интенсивтілігі белгілі бір шектен асқанда берілуі артатын материал. Материал иондық қоспасы бар кристалл болуы мүмкін, мысалы Cr:YAG, ол Nd:YAG лазерлерінің Q-ауысуы үшін қолданылады, сондай-ақ ағаруға жататын бояу немесе пассивті жартылай өткізгіш құрылғы. Бастапқыда сіңірушінің жоғалуы жоғары, бірақ энергия жинағыш ортада жеткілікті энергия жиналғаннан кейін лазер сәулеленуіне мүмкіндік беретіндей төмен. Лазер қуаты артқан сайын, ол сіңірушіні қанықтырады, яғни резонатордың жоғалуын жылдам төмендетеді, осылайша қуат одан да тез өседі. Бұл сіңірушіні төмен жоғалу күйіне жеткізеді, бұл лазерлік импульс арқылы жиналған энергияны тиімді түрде алуға мүмкіндік береді. Импульстан кейін сіңіруші энергия жинағыш ортада толыққанша қайта толуға дейін жоғары жоғалу күйіне оралады, соның салдарынан келесі импульс кешіктіріледі. Импульстің қайталану жиілігін тек жанама түрде ғана басқаруға болады, мысалы лазердің сорғы қуатын және қуыстағы толығатын сіңірушінің мөлшерін өзгерту арқылы. Импульстік сорғы көзін және пассивті Q-ауысуды пайдалану арқылы қайталану жиілігін тікелей басқаруға болады.
Нұсқалар
Жітілді Q-ны тым көп азайту арқылы азайтуға болады, сонда жарықтың шағын мөлшері қуыста айналып жүре алады. Бұл келесі Q-свиттелген импульстің қалыптасуына көмектесетін жарықтың "тұқымын" қамтамасыз етеді. Қуықты төгу кезінде қуыстың шеткі айналары 100% шағылыстыратын болады, сондықтан Q жоғары болғанда шығыс сәулесі шығарылмайды. Оның орнына, Q-свитші уақыт кешігуінен кейін сәулені қуыстан "төгуге" пайдаланылады. Q қуысы лазердің жиналуын бастау үшін төменнен жоғарыға, содан кейін жоғарыдан төменге өтеді, сәулені қуыстан бірден "тазалап" шығарады. Бұл әдеттегі Q-свитштеуге қарағанда қысқарақ шығыс импульсін тудырады. Электрооптикалық модуляторлар әдетте осы мақсатта қолданылады, себебі оларды сәулені қуыстан шығару үшін дерлік мінсіз сәуле "көпіршесі" ретінде жұмыс істеуге оңай баптауға болады. Сәулені төгетін модулятор, Q қуысын свиттейтін модулятормен бірдей немесе екінші (мүмкін бірдей) модулятор болуы мүмкін. Төгілген қуықты қарапайым Q-свитштеуден түзету қиынырақ, және қуыстан сәулені шығарудың ең қолайлы уақытын таңдау үшін басқару контуры қажет болуы мүмкін. Регенеративті күшейтуде, оптикалық күшейткіш Q-свиттелген қуыстың ішіне орналастырылады. Басқа лазерден ("негізгі осциллятор") жарық импульстары қуысқа Q-ны төмендету арқылы енгізіледі, бұл импульстың кіруіне мүмкіндік береді, содан кейін Q-ны арттыру арқылы импульс қуысқа шектеледі, онда ол күшейту ортасы арқылы көп рет өту арқылы күшейтіледі. Содан кейін импульс тағы бір Q-свитш арқылы қуыстан шығады.
Типтік қызмет көрсету
Резонатор ұзындығы 10 см болатын Q-свиттегіш лазер (мысалы, Nd: YAG лазері) бірнеше ондаған наносекундқа созылатын жарық импульстарын тудыра алады. Орташа қуаты 1 Вт-тан аспаса да, шың қуаты көптеген киловатқа жетеді. Ірі лазерлік жүйелер Q-свиттегі импульстарды көптеген джоуль энергиясымен және гигаватт диапазонындағы шың қуаттармен өндіре алады. Ал, пассивті Q-свиттегіш микрочиптік лазерлер (өте қысқа резонаторлармен) бір наносекундтан кем ұзақтықтағы импульстарды және жүздеген герцтен бірнеше мегагерцке (MHz) дейінгі импульс қайталану жиілігін жасады.
Қолданбалар
Q-свиттерлі лазерлер көбінесе наносекундтық импульстарда жоғары лазерлік интенсивтілікті талап ететін қолданыстарда, мысалы, металл кесу немесе импульстік голография сияқты жағдайларда қолданылады. Сызықтық емес оптика көбінесе осы лазерлердің жоғары шыңдық қуаттарын пайдаланады, 3D оптикалық деректерді сақтау және 3D микрофабрикация сияқты мүмкіндіктерді ұсынады. Дегенмен, Q-свиттерлі лазерлерді өлшеу мақсатында да қолдануға болады, мысалы, қашықтықты өлшеу (қашықтықты анықтау) үшін – импульстің нысанаға жетуіне және шағылған жарықтың жіберушіге қайтуына кеткен уақытты өлшеу арқылы. Оны химиялық динамикалық зерттеулерде, мысалы, температуралық секірудің релаксациясын зерттеуде де пайдалануға болады. Q-свиттерлі лазерлер сондай-ақ, татуировкаларды жою үшін қолданылады, олардың пигменттерін дене лимфа жүйесімен тазартылатын бөлшектерге ұрып жібереді. Толық жою үшін, сияның мөлшері мен түсіне байланысты, кем дегенде бір ай аралықпен алтыдан жиырмаға дейін емдеу қажет болуы мүмкін, әр түрлі түсті сия үшін әртүрлі толқын ұзындықтары қолданылады. Nd:YAG лазерлері қазіргі уақытта жоғары шыңдық қуаттары, жоғары қайталану жиілігі және салыстырмалы түрде төмен құны болғандықтан ең көп таңдалатын лазерлер болып табылады. 2013 жылы клиникалық зерттеулерге негізделген пикосекундтық лазер енгізілді, ол жасыл және ашық көк сияқты түстерді жоюда жақсы нәтижелер көрсетті. Q-свиттерлі лазерлерді қара дақтарды жою және терінің басқа да пигментация мәселелерін түзету үшін де қолдануға болады.