Q-switching - Q-switching

A comutação Q , às vezes conhecida como formação de pulso gigante ou Q-spoiling , é uma técnica pela qual um laser pode ser feito para produzir um feixe de saída pulsado. A técnica permite a produção de pulsos de luz com potência de pico extremamente alta ( gigawatt ) , muito maior do que seria produzida pelo mesmo laser se estivesse operando em modo de onda contínua (saída constante). Comparado ao modelocking , outra técnica para geração de pulso com lasers, o Q-switching leva a taxas de repetição de pulso muito mais baixas, energias de pulso muito mais altas e durações de pulso muito mais longas. As duas técnicas às vezes são aplicadas juntas.

A comutação Q foi proposta pela primeira vez em 1958 por Gordon Gould , e independentemente descoberta e demonstrada em 1961 ou 1962 por RW Hellwarth e FJ McClung no Hughes Research Laboratories usando obturadores de célula Kerr eletricamente comutados em um laser de rubi . Não linearidades ópticas, como Q-switching, foram totalmente explicadas por Nicolaas Bloembergen , que ganhou o prêmio Nobel em 1981 por este trabalho.

Princípio de Q-switching

A comutação Q é obtida colocando algum tipo de atenuador variável dentro do ressonador óptico do laser . Quando o atenuador está funcionando, a luz que sai do meio de ganho não retorna e o laser não pode começar. Essa atenuação dentro da cavidade corresponde a uma diminuição do fator Q ou fator de qualidade do ressonador óptico . Um alto fator Q corresponde a baixas perdas do ressonador por ida e volta e vice-versa. O atenuador variável é comumente chamado de "Q-switch", quando usado para esse propósito.

Inicialmente, o meio laser é bombeado enquanto o Q-switch é definido para evitar o feedback da luz no meio de ganho (produzindo um ressonador óptico com Q baixo). Isso produz uma inversão de população , mas a operação do laser ainda não pode ocorrer, pois não há feedback do ressonador. Como a taxa de emissão estimulada depende da quantidade de luz que entra no meio, a quantidade de energia armazenada no meio de ganho aumenta à medida que o meio é bombeado. Devido às perdas por emissão espontânea e outros processos, após certo tempo a energia armazenada atingirá algum nível máximo; o meio é dito estar saturado de ganho . Neste ponto, o dispositivo Q-switch é rapidamente alterado de Q baixo para Q alto, permitindo o feedback e o processo de amplificação óptica por emissão estimulada para começar. Por causa da grande quantidade de energia já armazenada no meio de ganho, a intensidade da luz no ressonador a laser aumenta muito rapidamente; isso também faz com que a energia armazenada no meio se esgote quase tão rapidamente. O resultado líquido é um pulso curto de saída de luz do laser, conhecido como pulso gigante , que pode ter uma intensidade de pico muito alta.

Existem dois tipos principais de comutação Q:

Comutação Q ativa

Aqui, o Q-switch é um atenuador variável controlado externamente. Este pode ser um dispositivo mecânico, como um obturador, roda de corte ou espelho / prisma giratório colocado dentro da cavidade, ou (mais comumente) pode ser alguma forma de modulador , como um dispositivo ótico-acústico , um dispositivo de efeito magneto-ótico ou um dispositivo eletro-óptico - uma célula de Pockels ou célula de Kerr . A redução das perdas (aumento de Q) é desencadeada por um evento externo, normalmente um sinal elétrico. A taxa de repetição do pulso pode, portanto, ser controlada externamente. Os moduladores geralmente permitem uma transição mais rápida de Q baixo para alto e fornecem melhor controle. Uma vantagem adicional dos moduladores é que a luz rejeitada pode ser acoplada para fora da cavidade e pode ser usada para outra coisa. Alternativamente, quando o modulador está no seu estado de baixa-Q, um feixe gerado externamente pode ser acoplado para a cavidade por meio do modulador. Isso pode ser usado para "semear" a cavidade com um feixe que tenha as características desejadas (como modo transversal ou comprimento de onda). Quando o Q é aumentado, o lasing se acumula a partir da semente inicial, produzindo um pulso Q comutado que possui características herdadas da semente.

Comutação Q passiva

Nesse caso, o Q-switch é um absorvedor saturável , um material cuja transmissão aumenta quando a intensidade da luz ultrapassa algum limite. O material pode ser um cristal dopado com íons como Cr: YAG , que é usado para comutação Q de lasers Nd: YAG , um corante branqueador ou um dispositivo semicondutor passivo . Inicialmente, a perda do absorvedor é alta, mas ainda baixa o suficiente para permitir algum tipo de lasing, uma vez que uma grande quantidade de energia é armazenada no meio de ganho. Conforme a potência do laser aumenta, ele satura o absorvedor, ou seja, reduz rapidamente a perda do ressonador, de forma que a potência pode aumentar ainda mais rápido. Idealmente, isso coloca o absorvedor em um estado com baixas perdas para permitir a extração eficiente da energia armazenada pelo pulso de laser. Após o pulso, o absorvedor retorna ao seu estado de alta perda antes que o ganho seja recuperado, de forma que o próximo pulso seja atrasado até que a energia no meio de ganho seja totalmente reabastecida. A taxa de repetição do pulso só pode ser controlada indiretamente, por exemplo, variando a potência da bomba do laser e a quantidade de absorvedor saturável na cavidade. O controle direto da taxa de repetição pode ser alcançado usando uma fonte de bomba pulsada, bem como comutação Q passiva.

Variantes

Amplificador regenerativo. Linha vermelha: raio laser. Caixa vermelha: Ganho médio. Acima : design baseado em AOM . Abaixo: O design baseado em células do Pockel precisa de polarizadores de filme fino. A direção do pulso emitido depende do tempo.

O jitter pode ser reduzido não reduzindo o Q tanto, de modo que uma pequena quantidade de luz ainda possa circular na cavidade. Isso fornece uma "semente" de luz que pode ajudar no acúmulo do próximo pulso Q comutado.

Com o despejo da cavidade, os espelhos finais da cavidade são 100% reflexivos, de modo que nenhum feixe de saída é produzido quando o Q é alto. Em vez disso, o Q-switch é usado para "despejar" o feixe para fora da cavidade após um intervalo de tempo. A cavidade Q vai de baixo para alto para iniciar o acúmulo de laser e, em seguida, vai de alto para baixo para "descarregar" o feixe da cavidade de uma só vez. Isso produz um pulso de saída mais curto do que a comutação Q normal. Moduladores eletro-ópticos são normalmente usados ​​para isso, uma vez que podem ser facilmente feitos para funcionar como uma "chave" de feixe quase perfeita para acoplar o feixe para fora da cavidade. O modulador que descarrega o feixe pode ser o mesmo modulador que Q-muda a cavidade, ou um segundo modulador (possivelmente idêntico). Uma cavidade despejada é mais complicada de alinhar do que uma simples comutação Q e pode precisar de um circuito de controle para escolher o melhor momento para despejar o feixe da cavidade.

Na amplificação regenerativa, um amplificador óptico é colocado dentro de uma cavidade Q comutada. Pulsos de luz de outro laser (o "oscilador mestre") são injetados na cavidade diminuindo o Q para permitir que o pulso entre e, em seguida, aumentando o Q para confinar o pulso à cavidade onde pode ser amplificado por passagens repetidas através do ganho médio. O pulso pode então deixar a cavidade por meio de outro Q switch.

Desempenho típico

Um laser Q-comutado típico (por exemplo, um laser Nd: YAG) com um comprimento de ressonador de, por exemplo, 10 cm pode produzir pulsos de luz de várias dezenas de nanossegundos de duração. Mesmo quando a potência média está bem abaixo de 1 W, a potência de pico pode ser de muitos quilowatts. Os sistemas de laser em grande escala podem produzir pulsos Q-comutados com energias de muitos joules e potências de pico na região do gigawatt. Por outro lado, lasers de microchip com Q-switch passivo (com ressonadores muito curtos) geraram pulsos com durações muito abaixo de um nanossegundo e taxas de repetição de pulso de centenas de hertz a vários megahertz (MHz)

Formulários

Lasers Q-comutados são frequentemente usados ​​em aplicações que exigem altas intensidades de laser em pulsos de nanossegundos, como corte de metal ou holografia pulsada . A óptica não linear geralmente aproveita as altas potências de pico desses lasers, oferecendo aplicações como armazenamento de dados ópticos 3D e microfabricação 3D . No entanto, os lasers Q-comutados também podem ser usados ​​para fins de medição, como para medições de distância (localização de alcance ) medindo o tempo que leva para o pulso chegar a algum alvo e a luz refletida voltar ao remetente. Também pode ser usado no estudo de dinâmica química , por exemplo, estudo de relaxamento de salto de temperatura .

Áudio externo
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ícone de áudio “Rethinking Ink” , Distillations Podcast Episódio 220, Science History Institute

Os lasers Q-switch também são usados ​​para remover tatuagens quebrando pigmentos de tinta em partículas que são eliminadas pelo sistema linfático do corpo . A remoção completa pode levar de seis a vinte tratamentos, dependendo da quantidade e da cor da tinta, com intervalos de pelo menos um mês, usando comprimentos de onda diferentes para tintas coloridas. Os lasers Nd: YAG são atualmente os lasers mais favorecidos devido à sua alta potência de pico, altas taxas de repetição e custos relativamente baixos. Em 2013, um laser de picossegundo foi introduzido com base em pesquisas clínicas que parecem mostrar uma melhor depuração com cores 'difíceis', como verde e azul claro. Os lasers Q-switch também podem ser usados ​​para remover manchas escuras e corrigir outros problemas de pigmentação da pele.

Veja também

Referências

  1. ^ Früngel, Frank BA (2014). Pulsos óticos - Lasers - Técnicas de medição . Academic Press. p. 192. ISBN 9781483274317. Retirado em 1 de fevereiro de 2015 .
  2. ^ Taylor, Nick (2000). LASER: O inventor, o ganhador do Nobel e a guerra de patentes de trinta anos . Nova York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0.p. 93
  3. ^ McClung, FJ; Hellwarth, RW (1962). "Pulsações ópticas gigantes de rubi". Journal of Applied Physics . 33 (3): 828–829. Bibcode : 1962JAP .... 33..828M . doi : 10.1063 / 1.1777174 .
  4. ^ O Inventor do Laser . Springer Biografias. 2018. doi : 10.1007 / 978-3-319-61940-8 . ISBN 978-3-319-61939-2.
  5. ^ . doi : 10.1364 / NLO.2011.NWA2 . Citar periódico requer |journal=( ajuda );Ausente ou vazio |title=( ajuda )
  6. ^ . doi : 10.1126 / science.156.3782.1557 . Citar periódico requer |journal=( ajuda );Ausente ou vazio |title=( ajuda )
  7. ^ . doi : 10.1016 / 0375-9601 (68) 90584-7 . Citar periódico requer |journal=( ajuda );Ausente ou vazio |title=( ajuda )
  8. ^ Reiner, JE; Robertson, JWF; Burden, DL; Burden, LK; Balijepalli, A .; Kasianowicz, JJ (2013). "Escultura de temperatura em volumes de Yoctoliter" . Journal of the American Chemical Society . 135 (8): 3087–3094. doi : 10.1021 / ja309892e . ISSN 0002-7863 . PMC 3892765 . PMID 23347384 .    
  9. ^ Klett, Joseph (2018). "Segunda chance" . Destilações . Instituto de História da Ciência . 4 (1): 12–23 . Recuperado em 27 de junho de 2018 .