Q-cambio - Q-switching

La conmutación Q , a veces conocida como formación de pulso gigante o Q-spoiling , es una técnica mediante la cual se puede hacer que un láser produzca un rayo de salida pulsado. La técnica permite la producción de pulsos de luz con una potencia pico extremadamente alta ( gigavatios ) , mucho más alta que la que produciría el mismo láser si estuviera operando en modo de onda continua (salida constante). En comparación con el modelocking , otra técnica para la generación de pulsos con láseres, la conmutación Q conduce a tasas de repetición de pulsos mucho más bajas, energías de pulso mucho más altas y duraciones de pulso mucho más largas. En ocasiones, las dos técnicas se aplican juntas.

La conmutación Q fue propuesta por primera vez en 1958 por Gordon Gould , y descubierta y demostrada de forma independiente en 1961 o 1962 por RW Hellwarth y FJ McClung en Hughes Research Laboratories utilizando obturadores de celda Kerr conmutados eléctricamente en un láser de rubí . Nicolaas Bloembergen , quien ganó el premio Nobel en 1981 por este trabajo, explicó completamente las no linealidades ópticas como el cambio de Q.

Principio de Q-switching

La conmutación Q se logra colocando algún tipo de atenuador variable dentro del resonador óptico del láser . Cuando el atenuador está funcionando, la luz que sale del medio de ganancia no regresa y el láser no puede comenzar. Esta atenuación dentro de la cavidad corresponde a una disminución del factor Q o factor de calidad del resonador óptico . Un factor Q alto corresponde a bajas pérdidas de resonador por viaje de ida y vuelta y viceversa. El atenuador variable se denomina comúnmente "interruptor Q", cuando se utiliza para este propósito.

Inicialmente, el medio láser se bombea mientras el interruptor Q está configurado para evitar la retroalimentación de luz en el medio de ganancia (produciendo un resonador óptico con Q bajo). Esto produce una inversión de población , pero la operación del láser aún no puede ocurrir porque no hay retroalimentación del resonador. Dado que la tasa de emisión estimulada depende de la cantidad de luz que ingresa al medio, la cantidad de energía almacenada en el medio de ganancia aumenta a medida que se bombea el medio. Debido a las pérdidas por emisión espontánea y otros procesos, después de cierto tiempo la energía almacenada alcanzará un nivel máximo; se dice que el medio está saturado de ganancia . En este punto, el dispositivo Q-switch cambia rápidamente de Q bajo a Q alto, lo que permite que comience la retroalimentación y el proceso de amplificación óptica por emisión estimulada. Debido a la gran cantidad de energía ya almacenada en el medio de ganancia, la intensidad de la luz en el resonador láser aumenta muy rápidamente; esto también hace que la energía almacenada en el medio se agote casi con la misma rapidez. El resultado neto es un pulso corto de salida de luz del láser, conocido como pulso gigante , que puede tener un pico de intensidad muy alto.

Hay dos tipos principales de Q-switching:

Conmutación Q activa

Aquí, el Q-switch es un atenuador variable controlado externamente. Puede ser un dispositivo mecánico, como un obturador, una rueda de corte o un espejo / prisma giratorio colocado dentro de la cavidad, o (más comúnmente) puede ser alguna forma de modulador , como un dispositivo acústico-óptico , un dispositivo de efecto magneto-óptico. o un dispositivo electroóptico : una celda de Pockels o una celda de Kerr . La reducción de pérdidas (aumento de Q) es provocada por un evento externo, típicamente una señal eléctrica. Por lo tanto, la frecuencia de repetición de pulsos se puede controlar externamente. Los moduladores generalmente permiten una transición más rápida de Q bajo a alto y proporcionan un mejor control. Una ventaja adicional de los moduladores es que la luz rechazada se puede acoplar fuera de la cavidad y se puede utilizar para otra cosa. Alternativamente, cuando el modulador está en su estado de bajo Q, se puede acoplar un haz generado externamente en la cavidad a través del modulador. Esto se puede utilizar para "sembrar" la cavidad con un haz que tenga las características deseadas (como el modo transversal o la longitud de onda). Cuando se eleva la Q, el láser se acumula a partir de la semilla inicial, produciendo un pulso de conmutación Q que tiene características heredadas de la semilla.

Conmutación Q pasiva

En este caso, el Q-switch es un absorbente saturable , un material cuya transmisión aumenta cuando la intensidad de la luz supera algún umbral. El material puede ser un cristal dopado con iones como Cr: YAG , que se utiliza para la conmutación Q de láseres Nd: YAG , un tinte blanqueable o un dispositivo semiconductor pasivo . Inicialmente, la pérdida del absorbedor es alta, pero aún lo suficientemente baja como para permitir algo de láser una vez que se almacena una gran cantidad de energía en el medio de ganancia. A medida que aumenta la potencia del láser, satura el absorbedor, es decir, reduce rápidamente la pérdida del resonador, de modo que la potencia puede aumentar aún más rápido. Idealmente, esto lleva al absorbedor a un estado con bajas pérdidas para permitir una extracción eficiente de la energía almacenada por el pulso láser. Después del pulso, el absorbedor recupera su estado de alta pérdida antes de que se recupere la ganancia, de modo que el siguiente pulso se retrasa hasta que la energía en el medio de ganancia se repone por completo. La frecuencia de repetición del pulso sólo puede controlarse indirectamente, por ejemplo, variando la potencia de bombeo del láser y la cantidad de absorbente saturable en la cavidad. El control directo de la tasa de repetición se puede lograr mediante el uso de una fuente de bombeo pulsada, así como Q-switching pasivo.

Variantes

Amplificador regenerativo. Línea roja: rayo láser. Cuadro rojo: ganancia media. Arriba: diseño basado en AOM . Abajo: el diseño basado en celdas de Pockel necesita polarizadores de película delgada. La dirección del pulso emitido depende de la sincronización.

El jitter se puede reducir no reduciendo tanto la Q, de modo que una pequeña cantidad de luz todavía pueda circular en la cavidad. Esto proporciona una "semilla" de luz que puede ayudar en la acumulación del siguiente pulso Q-conmutado.

Con el vaciado de la cavidad, los espejos de los extremos de la cavidad son 100% reflectantes, por lo que no se produce ningún haz de salida cuando la Q es alta. En cambio, el Q-switch se usa para "descargar" el rayo fuera de la cavidad después de un tiempo de retraso. La cavidad Q va de menor a mayor para iniciar la acumulación de láser, y luego va de mayor a menor para "descargar" el rayo de la cavidad de una vez. Esto produce un pulso de salida más corto que la conmutación Q normal. Los moduladores electroópticos se utilizan normalmente para esto, ya que se puede hacer que funcionen fácilmente como un "interruptor" de haz casi perfecto para acoplar el haz fuera de la cavidad. El modulador que descarga el haz puede ser el mismo modulador que Q-cambia la cavidad, o un segundo modulador (posiblemente idéntico). Una cavidad descargada es más complicada de alinear que una simple conmutación Q, y puede necesitar un bucle de control para elegir el mejor momento para descargar el haz de la cavidad.

En la amplificación regenerativa, se coloca un amplificador óptico dentro de una cavidad de conmutación Q. Los pulsos de luz de otro láser (el "oscilador maestro") se inyectan en la cavidad bajando el Q para permitir que el pulso entre y luego aumentando el Q para confinar el pulso a la cavidad donde puede amplificarse mediante pasadas repetidas a través del ganar medio. A continuación, se permite que el pulso salga de la cavidad mediante otro interruptor Q.

Rendimiento típico

Un láser de conmutación Q típico (por ejemplo, un láser Nd: YAG) con una longitud de resonador de, por ejemplo, 10 cm puede producir pulsos de luz de varias decenas de nanosegundos de duración. Incluso cuando la potencia media está muy por debajo de 1 W, la potencia máxima puede ser de muchos kilovatios. Los sistemas láser a gran escala pueden producir pulsos de conmutación Q con energías de muchos julios y potencias máximas en la región de los gigavatios. Por otro lado, los láseres de microchip con conmutación Q pasiva (con resonadores muy cortos) han generado pulsos con duraciones muy por debajo de un nanosegundo y tasas de repetición de pulsos de cientos de hercios a varios megahercios (MHz).

Aplicaciones

Los láseres de conmutación Q se utilizan a menudo en aplicaciones que exigen altas intensidades de láser en pulsos de nanosegundos, como el corte de metales o la holografía pulsada . La óptica no lineal a menudo aprovecha las altas potencias pico de estos láseres, ofreciendo aplicaciones como almacenamiento de datos ópticos 3D y microfabricación 3D . Sin embargo, los láseres de conmutación Q también se pueden utilizar para fines de medición, como para mediciones de distancia ( búsqueda de rango ) midiendo el tiempo que tarda el pulso en llegar a algún objetivo y la luz reflejada en volver al emisor. También se puede utilizar en el estudio químico dinámico , por ejemplo, en el estudio de la relajación del salto de temperatura .

Audio externo
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icono de audio “Rethinking Ink” , Podcast de Distillations Episodio 220, Science History Institute

Los láseres Q-Switched también se utilizan para eliminar tatuajes al romper los pigmentos de la tinta en partículas que son eliminadas por el sistema linfático del cuerpo . La eliminación completa puede requerir entre seis y veinte tratamientos, dependiendo de la cantidad y el color de la tinta, espaciados al menos con un mes de diferencia, utilizando diferentes longitudes de onda para tintas de diferentes colores. Los láseres Nd: YAG son actualmente los láseres más favorecidos debido a sus altas potencias de pico, altas tasas de repetición y costos relativamente bajos. En 2013, se introdujo un láser de picosegundos basado en la investigación clínica que parece mostrar una mejor depuración con colores "difíciles" como el verde y el azul claro. Los láseres Q-Switched también se pueden utilizar para eliminar manchas oscuras y solucionar otros problemas de pigmentación de la piel.

Ver también

Referencias

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