Введение
Техника импульсного переключения лазера, Q-переключение, иногда известная как формирование гигантских импульсов или Q-спойлинг, – это метод, позволяющий лазеру генерировать импульсный выходной луч. Эта техника обеспечивает создание световых импульсов с чрезвычайно высокой (гигаваттной) пиковой мощностью, значительно превышающей мощность, которую производил бы тот же лазер при работе в режиме непрерывного излучения (постоянной мощности). По сравнению с мод-локингом, другой техникой генерации импульсов в лазерах, Q-переключение приводит к гораздо более низкой частоте повторения импульсов, гораздо более высокой энергии импульсов и большей длительности импульсов. Эти две техники иногда применяются совместно. Q-переключение было впервые предложено в 1958 году Гордоном Гулдом, а независимо открыто и продемонстрировано в 1961 или 1962 годах Р. В. Хеллвартом и Ф. Дж. МакКлунгом в Исследовательских лабораториях Hughes с использованием электрически управляемых затворов ячейки Керра в рубиновом лазере. Оптические нелинейности, такие как Q-переключение, были полностью объяснены Николаасом Блумбергеном, который получил Нобелевскую премию в 1981 году за эту работу.
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.
Активная Q-смена
Здесь Q-переключатель представляет собой внешне управляемый переменный аттенюатор. Он может быть механическим устройством, таким как затвор, чоппер или вращающееся зеркало/призма, расположенные внутри резонатора, или (чаще) – модулятором, например, акустооптическим устройством, устройством на магнитооптическом эффекте или электрооптическим устройством, ячейкой Покельса или ячейкой Керра. Снижение потерь (увеличение Q) инициируется внешним событием, обычно электрическим сигналом. Таким образом, частота повторения импульсов может контролироваться внешне. Модуляторы, как правило, обеспечивают более быстрый переход от низкого к высокому Q и лучший контроль. Дополнительным преимуществом модуляторов является возможность вывода отводимого света из резонатора для других целей. Альтернативно, когда модулятор находится в состоянии низкого Q, в резонатор через него можно ввести внешне сгенерированный луч. Это позволяет "засеять" резонатор лучом с заданными характеристиками (например, поперечным режимом или длиной волны). При повышении Q генерация накапливается от начального "затравки", формируя Q-переключенный импульс, наследующий характеристики "затравки".
Пассивное Q-переключение
В этом случае Q-переключатель представляет собой насыщаемый абсорбер – материал, чья пропускная способность увеличивается при превышении порогового значения интенсивности света. В качестве материала может использоваться ионно-легированный кристалл, например Cr:YAG, применяемый для Q-переключения Nd:YAG лазеров, отбеливающийся краситель или пассивное полупроводниковое устройство. Изначально потери в абсорбере высоки, но всё же достаточно малы, чтобы обеспечить некоторое усиление после накопления значительного количества энергии в активной среде. С ростом мощности лазера происходит насыщение абсорбера, то есть быстрое снижение потерь в резонаторе, что позволяет мощности увеличиваться ещё быстрее. В идеале, это переводит абсорбер в состояние с низкими потерями для эффективного извлечения накопленной энергии лазерным импульсом. После импульса абсорбер возвращается в состояние высоких потерь до восстановления усиления, таким образом, следующий импульс задерживается до полного восстановления энергии в активной среде. Частота повторения импульсов может контролироваться лишь косвенно, например, путём изменения мощности накачки лазера и количества насыщаемого абсорбера в резонаторе. Прямое управление частотой повторения возможно при использовании импульсного источника накачки в сочетании с пассивным Q-переключением.
Варианты
Джиттер можно уменьшить, не снижая Q настолько сильно, чтобы небольшое количество света продолжало циркулировать в резонаторе. Это обеспечивает "зародыш" света, который способствует формированию следующего Q-переключенного импульса. При использовании сброса резонатора, зеркала на концах резонатора имеют 100% отражающую способность, поэтому выходной луч не формируется при высоком Q. Вместо этого, Q-переключатель используется для "выброса" луча из резонатора после определенной задержки. Q резонатора изменяется от низкого к высокому для запуска генерации лазера, а затем от высокого к низкому для одновременного "выброса" луча из резонатора. Это позволяет получить более короткий выходной импульс, чем при обычном Q-переключении. Электрооптические модуляторы обычно используются для этой цели, поскольку их можно легко настроить для работы в качестве почти идеального "переключателя" луча для вывода луча из резонатора. Модулятор, осуществляющий выброс луча, может быть тем же, что и Q-переключатель резонатора, или вторым (возможно, идентичным) модулятором. Сброшенный резонатор сложнее в настройке, чем простой Q-переключатель, и может потребовать контура управления для определения оптимального момента выброса луча из резонатора. В регенеративном усилении оптический усилитель размещается внутри Q-переключенного резонатора. Импульсы света от другого лазера ("главного генератора") вводятся в резонатор путем снижения Q для пропускания импульса, а затем повышения Q для удержания импульса в резонаторе, где он может быть усилен многократными проходами через активную среду. Затем импульсу разрешается покинуть резонатор через другой Q-переключатель.
Типичная производительность
Типичный Q-коммутируемый лазер (например, Nd:YAG-лазер) с длиной резонатора, например, 10 см, может генерировать световые импульсы длительностью в несколько десятков наносекунд. Даже при средней мощности, значительно меньшей 1 Вт, пиковая мощность может достигать многих киловатт. Крупномасштабные лазерные системы способны генерировать Q-коммутируемые импульсы с энергией в несколько джоулей и пиковой мощностью в гигаваттном диапазоне. С другой стороны, пассивно Q-коммутируемые микрочип-лазеры (с очень короткими резонаторами) генерируют импульсы длительностью значительно менее одной наносекунды и частотой повторения импульсов от сотен герц до нескольких мегагерц (МГц).
Приложения
Q-переключенные лазеры часто используются в приложениях, требующих высокой интенсивности лазерного излучения в наносекундных импульсах, таких как резка металла или импульсная голография. Нелинейная оптика часто использует высокие пиковые мощности этих лазеров, предлагая такие возможности, как 3D-оптическое хранение данных и 3D-микрофабрикация. Однако Q-переключенные лазеры также могут применяться для измерений, например, для измерения расстояния (определения дальности) путем измерения времени, необходимого импульсу для достижения цели и возвращения отраженного света к источнику. Они также могут использоваться в исследованиях химической динамики, например, в изучении релаксации после температурного скачка. Q-переключенные лазеры также применяются для удаления татуировок, разрушая пигменты чернил на частицы, которые выводятся лимфатической системой организма. Для полного удаления может потребоваться от шести до двадцати сеансов, в зависимости от количества и цвета чернил, с интервалом не менее месяца, используя различные длины волн для разных цветов чернил. Nd:YAG лазеры в настоящее время являются наиболее востребованными благодаря их высокой пиковой мощности, высокой частоте повторения и относительно низкой стоимости. В 2013 году, на основе клинических исследований, был представлен пикосекундный лазер, который, по предварительным данным, обеспечивает более эффективное удаление трудновыводимых цветов, таких как зеленый и светло-голубой. Q-переключенные лазеры также могут использоваться для удаления темных пятен и коррекции других проблем с пигментацией кожи.