Модуляция добротности и ее применение (Q switching)

• Типы переключения добротности в лазере
• Механическое переключение стартера
• Электрооптический переключающий затвор
• Эффект Керра
• Эффект Поккельса
• Применение модуляции добротности

Модуляция добротности (Q switching) - это способ, с помощью которого достигается импульсный режим действия лазера. 

В процессе накачки свойства оптического резонатора специально " ослабляют", не допуская таким образом излучения лазера. Вследствие этого мощность не уходит на излучение и удается получить высокий уровень инверсной населенности энергетических уровней активной среды. После этого свойства резонатора начинают быстро "улучшаться", и вся накопленная энергия преобразуется в форме короткого мощного импульса.

Это достигается путем накачки усиления или активной среды в отсутствие зеркал резонатора (т.е. механизм обратной связи). Затем зеркала резонатора включаются, чтобы получить импульс короткой длительности. 

Рис. 1. Схема модуляции добротности 

Механизм можно понять следующим образом:

Когда среда усиления накачивается и нет системы обратной связи (т.е. зеркал), инверсия населенности в среде усиления поддерживает постройку, поднимая атом из основного состояния в возбужденное состояние. Когда значение инверсии населенности значительно выше и зеркала резонатора или полости расположены на своих позициях, тогда спонтанное излучение отражается зеркалами туда и обратно и проходит через среду усиления.

Из-за большого значения инверсии населенности, усиление, обеспечиваемое средой за один проход, очень велико по сравнению с потерями за один проход. Поэтому мощность лазерного луча растет очень быстро с каждым проходом в среде усиления. В результате инверсии населенности быстро уменьшаются, а следовательно, уменьшается и мощность лазерного луча. Следовательно, при внезапном включении зеркал резонатора генерируется гигантский импульс.

Коэффициент добротности резонатора переключается с низкого значения на высокое, и поэтому данная техника известна как переключение добротности.

Рис. 2. Акустооптический модулятор 

В реальной практике между одним из зеркал и одним концом среды усиления резонатора устанавливается затвор, пока инверсия населенности не станет намного больше пороговой инверсии населенности, необходимой для того же лазера. Затем затвор быстро открывается, чтобы большая часть накопленной энергии высвободилась в виде одного короткого импульса, известного как гигантский импульс. Фактически, открытие затвора включает зеркало резонатора для начала излучения. 

После генерации гигантского импульса затвор автоматически закрывается. Снова повторяется тот же процесс, чтобы сгенерировать еще один гигантский импульс. Затвор, используемый в этой технике, может быть электрооптическим затвором, таким как ячейка Поккельса или ячейка Керра. 

Типы переключения добротности в лазере

Механическое переключение стартера

Переключение добротности волоконных лазеров - это техника, позволяющая получать короткие и мощные импульсы, которые необходимы во многих областях применения, таких как оптическая отражение во временной области, обработка материалов и дистанционное измерение. Для разработки волоконных лазеров с модуляцией добротности может быть использовано множество различных подходов.

Рис. 3. Механическое переключение добротности 

В этом методе полностью отражающее зеркало резонансной полости быстро вращается около 24000 оборотов вокруг оси, перпендикулярной оси полости, в то время как частично прозрачное зеркало остается неподвижным. Вспышка света падает на активную среду в тот момент, когда оба зеркала параллельны друг другу. На этом этапе происходит инверсия максимальной населенности, и, следовательно, возникает гигантский импульс.

Электрооптический переключающий затвор

Эта техника позволяет использовать электрооптические эффекты, такие как эффект Керра и эффект Поккельса, для получения гигантского импульса. Между зеркалами оптической системы устанавливают поляризатор и устройство с переменными оптическими свойствами.

Эффект Керра

Джон Керр, шотландский физик, в 1875 году обнаружил, что некоторые изотропные среды становятся двулучепреломляющими в присутствии электрического поля. То есть свет, поляризованный в одном направлении, имеет в среде скорость, отличную от скорости света, поляризованного в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Этот эффект известен как эффект Керра. Если быстро изменить свойства ячейки так, чтобы плоскости поляризации совпали, то свет сможет пройти через всю систему и лазер начнёт излучать

Получение гигантского импульса с помощью ячейки Керра

Экспериментальная установка для получения гигантского импульса с помощью ячейки Керра показана на рисунке:

Свет поляризуется. Линейно поляризованный свет падает на ячейку Керра. Двулучепреломляющий материал в ячейке Керра поворачивает линейно поляризованный свет на 90 градусов, и отраженный свет блокируется поляризатором. 

В этом состоянии потери в резонансной полости будут очень большими. Теперь напряжение, приложенное к ячейке Керра, отключается, и поэтому двулучепреломляющий материал в ячейке теряет свойство двулучепреломления. 

В результате ячейка не вращает поляризацию и, следовательно, действует как открытый затвор. Поэтому свет передается в виде гигантского импульса.

Эффект Поккельса

Возникновение двулучепреломления в оптической среде под воздействием постоянного или электрического поля известно как эффект Поккельса.

В случае эффекта Поккельса разница в показателях преломления материала для двух световых волн прямо пропорциональна величине приложенного электрического поля.

Рис. 5. Эффект Поккельса

Ячейка, содержащая материал, например дигидрогенфосфат калия, подчиняющийся эффекту Поккельса, известна как ячейка Поккельса. Ячейка работает при низком напряжении.

Применение модуляции добротности 

• Лазер с модуляцией добротности используется в 3D оптическом хранении данных и 3D микрофабрикации;
• Лазер с модуляцией добротности также используется в резке металла,сварке или импульсной голографии;
• Используется для измерительных целей, таких как измерение расстояния (дальнометрия);
• Удаления татуировок;
• Q switched используется для лечения проблем, связанных с кожей, таких как акне, пигментация, темные пятна, а также для омоложения кожи.