Qスイッチング

Qスイッチングは、巨大パルス形成またはQスポイリングとも呼ばれ、[ 1 ]レーザーからパルス出力ビームを生成する技術です。この技術により、非常に高い（ギガワット）ピークパワーの光パルスを生成することができ、これは同じレーザーを連続波（一定出力）モードで動作させた場合に生成されるよりもはるかに高い出力です。レーザーによるパルス生成の別の技術であるモード同期と比較して、Qスイッチングはパルス繰り返し率がはるかに低く、パルスエネルギーがはるかに高く、パルス持続時間がはるかに長くなります。この2つの技術は、併用されることもあります

Qスイッチは1958年にゴードン・グールドによって初めて提案され、[ 2 ]、1961年または1962年にヒューズ研究所のRWヘルワースとFJマククラングによって、ルビーレーザーの電気的にスイッチングされるカーセルシャッターを使用して独立に発見され、実証されました。[ 3 ] Qスイッチなどの光学的非線形性はニコラス・ブロンバーゲンによって完全に説明され、彼はこの研究により1981年にノーベル賞を受賞しました。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Qスイッチの原理

Qスイッチは、レーザーの光共振器内に何らかの可変減衰器を配置することで実現されます。減衰器が機能しているとき、利得媒体から出た光は戻らず、レーザー発振は開始されません。この共振器内の減衰は、光共振器のQ値または品質係数の低下に相当します。Q値が高いほど、往復あたりの共振器損失は低くなり、逆もまた同様です。この目的で使用される可変減衰器は、一般に「Qスイッチ」と呼ばれます

最初にレーザー媒体がポンピングされ、 Q スイッチは利得媒体への光のフィードバックを防ぐように設定されます (低い Q 値を持つ光共振器が生成されます)。これにより反転分布が生成されますが、共振器からのフィードバックがないため、レーザー動作はまだ発生しません。誘導放出の速度は媒体に入る光の量に依存するため、媒体がポンピングされるにつれて、利得媒体に蓄積されるエネルギー量が増加します。自然放出およびその他のプロセスによる損失により、一定の時間が経過すると蓄積エネルギーはある最大レベルに達します。この媒体は利得が飽和したと言われます。この時点で、Q スイッチ デバイスは低い Q から高い Q に急速に変更され、フィードバックと誘導放出による光増幅のプロセスが開始されます。利得媒体に既に蓄積されている大量のエネルギーのため、レーザー共振器内の光の強度は非常に急速に増大します。これにより、媒体に蓄積されたエネルギーもほぼ同じ速さで枯渇します。最終的な結果として、レーザーからの光出力は短く、巨大パルスと呼ばれるパルスとなり、ピーク強度が非常に高くなる場合があります。

Q スイッチングには主に 2 つのタイプがあります。

アクティブQスイッチ

ここで、Qスイッチとは外部制御可変減衰器のことです。これは、シャッター、チョッパーホイール、回転ミラー/プリズムなどの機械装置をキャビティ内に配置する場合もあれば、（より一般的には）音響光学装置、磁気光学効果装置、電気光学装置（ポッケルスセルやカーセル）などの何らかの変調器である場合もあります。損失の低減（Q値の増加）は、外部イベント（通常は電気信号）によって引き起こされます。したがって、パルス繰り返し周波数は外部から制御できます。変調器は一般に、低Qから高Qへの遷移を高速化し、より優れた制御を提供します。変調器のさらなる利点は、除去された光をキャビティから分離して他の用途に使用できることです。あるいは、変調器が低Q状態にある場合、外部で生成されたビームを変調器を介してキャビティに結合することができます。これを利用して、所望の特性（横モードや波長など）を持つビームをキャビティに「シード」することができますQ が上昇すると、最初のシードからレーザー発振が強化され、シードから継承された特性を持つ Q スイッチ パルスが生成されます。

パッシブQスイッチング

この場合、Qスイッチは飽和吸収体、つまり光の強度がある閾値を超えると透過率が増加する材料です。この材料は、 Nd:YAGレーザーのQスイッチングに使用されるCr: YAGなどのイオンドープ結晶、漂白可能な染料、または受動半導体デバイスです。最初は吸収体の損失は高いですが、ゲイン媒体に大量のエネルギーが蓄積されると、ある程度のレーザー発振が可能な程度には低い損失になります。レーザー出力が増加すると、吸収体が飽和します。つまり、共振器の損失が急速に減少するため、出力をさらに急速に増加させることができます。理想的には、これにより吸収体が低損失の状態になり、蓄積されたエネルギーをレーザーパルスによって効率的に抽出できるようになります。パルス後、ゲインが回復する前に吸収体が高損失状態に戻るため、次のパルスはゲイン媒体のエネルギーが完全に補充されるまで遅延されます。パルス繰り返し周波数は、レーザーのポンプ出力や共振器内の飽和吸収体の量を変化させるなど、間接的にしか制御できません。パルスポンプ光源やパッシブQスイッチを用いることで、繰り返し周波数を直接制御できます。

バリエーション

再生増幅器。赤い線：レーザービーム。赤い四角：利得媒体。上：AOMベースの設計。下：ポッケルスセルベースの設計では薄膜偏光子が必要です。放射されるパルスの方向はタイミングに依存します

Qスイッチをあまり下げずに、少量の光が共振器内を循環できるようにすることで、ジッタを低減できます。これにより、次のQスイッチパルスの増幅を助ける光の「種」が供給されます 。

キャビティダンピングでは、キャビティ端のミラーは100%反射率であるため、Q値が高いときには出力ビームは生成されません。代わりに、Qスイッチを用いて、時間遅延後にビームをキャビティから「ダンプ」します。キャビティのQ値は、レーザーの立ち上がりを開始するために低から高に変化し、その後、高から低に変化してビームをキャビティから一気に「ダンプ」します。これにより、通常のQスイッチングよりも短い出力パルスが生成されます。この用途には通常、電気光学変調器が使用されます。これは、ビームをキャビティから出力するためのほぼ完璧なビーム「スイッチ」として容易に機能させることができるためです。ビームをダンプする変調器は、キャビティをQスイッチングする変調器と同じものでも、別の（場合によっては同一の）変調器でも構いません。ダンプキャビティは、単純なQスイッチングよりも調整が複雑であり、ビームをキャビティからダンプする最適なタイミングを選択するための 制御ループが必要になる場合があります。

再生増幅では、光増幅器をQスイッチ共振器内に配置します。別のレーザー（「マスター発振器」）からの光パルスを共振器に注入するには、まずQ値を下げてパルスを共振器内に入射させ、その後Q値を上げることでパルスを共振器内に閉じ込め、増幅媒体を繰り返し通過させることで増幅させます。その後、パルスは別のQスイッチを介して共振器から出射されます。

標準的な性能

共振器長が例えば10cmの典型的なQスイッチレーザー（Nd:YAGレーザーなど）は、数十ナノ秒の持続時間を持つ光パルスを生成できます。平均出力が1Wをはるかに下回る場合でも、ピーク出力は数キロワットに達することがあります。大規模なレーザーシステムは、数ジュールのエネルギーとギガワット領域のピーク出力を持つQスイッチパルスを生成できます。一方、受動Qスイッチマイクロチップレーザー（非常に短い共振器を使用）は、1ナノ秒をはるかに下回る持続時間、数百ヘルツから数メガヘルツ（MHz）の パルス繰り返し周波数を持つパルスを生成しています

用途

Qスイッチレーザーは、金属切断やパルスホログラフィーなど、ナノ秒パルスで高いレーザー強度を必要とする用途でよく使用されます。非線形光学は、これらのレーザーの高いピークパワーを利用することが多く、3D光データストレージや3D微細加工などの用途に使用されています。また、Qスイッチレーザーは、パルスがターゲットに到達してから反射光が送信元に戻るまでの時間を測定することによる距離測定（レンジファインディング）などの測定目的にも使用できます。また、温度ジャンプ緩和研究などの化学動力学研究にも使用できます。[ 8 ]

外部オーディオ
音声アイコン「インクの再考」、蒸留ポッドキャストエピソード220、科学史研究所

Qスイッチレーザーはタトゥーの除去にも使われ、インクの色素を粒子に砕いて体内のリンパ系で排出される仕組みです。完全に除去するには、インクの量と色に応じて6回から20回の治療が必要で、少なくとも1ヶ月間隔をあけ、異なる色のインクには異なる波長を使用します。[ 9 ] Nd:YAGレーザーは、ピークパワーが高く、繰り返し率が高く、比較的低コストであるため、現在最も好まれているレーザーです。2013年には、臨床研究に基づいてピコ秒レーザーが導入され、緑や水色などの除去が難しい色の除去に優れていることがわかりました。Qスイッチレーザーは、シミの除去やその他の皮膚の色素沈着の問題を解決するためにも使用できます。

参照

参考文献

  1. ^フリュンゲル、フランク・BA (2014).光パルス - レーザー - 測定技術. アカデミックプレス. p. 192. ISBN 97814832743172015年2月1日閲覧
  2. ^テイラー、ニック (2000). 『レーザー：発明家、ノーベル賞受賞者、そして30年に及ぶ特許戦争』 ニューヨーク：サイモン＆シュスター. ISBN 0-684-83515-0。93ページ
  3. ^ McClung, FJ; Hellwarth, RW (1962). 「ルビーからの巨大な光脈動」. Journal of Applied Physics . 33 (3): 828– 829. Bibcode : 1962JAP....33..828M . doi : 10.1063/ 1.1777174
  4. ^レーザー発明家. Springer Biographies. 2018. doi : 10.1007/978-3-319-61940-8 . ISBN 978-3-319-61939-2。
  5. ^ニコラス・ブルームベルゲン (2011). 「非線形光学の誕生」.非線形光学: NWA2. doi : 10.1364/nlo.2011.nwa2 . ISBN 978-1-55752-915-2。
  6. ^ DeMaria, AJ; Stetser, DA; Glenn, WH (1967-06-23). 「超短光パルス」. Science . 156 ( 3782): 1557–1568 . Bibcode : 1967Sci...156.1557D . doi : 10.1126 / science.156.3782.1557 . ISSN 0036-8075 . PMID 17797635. S2CID 27074052   
  7. ^ Treacy, EB (1968). 「ピコ秒光パルスの圧縮」. Physics Letters A. 28 ( 1): 34– 35. Bibcode : 1968PhLA...28...34T . doi : 10.1016/0375-9601(68)90584-7 .
  8. ^ Reiner, JE; Robertson, JWF; Burden, DL; Burden, LK; Balijepalli, A.; Kasianowicz, JJ (2013). 「ヨクトリットル容量における温度制御」 . Journal of the American Chemical Society . 135 (8): 3087– 3094. Bibcode : 2013JAChS.135.3087R . doi : 10.1021/ja309892e . ISSN 0002-7863 . PMC 3892765. PMID 23347384 .   
  9. ^ Klett, Joseph (2018). 「セカンドチャンス」 . 『蒸留』 . 4 (1). 『科学史研究所』 : 12–23 . 2018年6月27日閲覧。
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