Q-스위치

Q-switching

Q스위칭(Q-switching)은 거대 펄스 형성 또는 Q-스푸어링(Q-spoiling)이라고도 하며,[1] 레이저를 만들어 펄스 출력 빔을 만들 수 있는 기법이다. 이 기법은 연속파(정수 출력) 모드로 작동할 경우 동일한 레이저에 의해 생성될 수 있는 것보다 훨씬 높은 극도로 높은 (기가와트) 피크 전력의 광 펄스를 생산할 수 있게 한다. 레이저로 펄스 생성을 위한 또 다른 기술인 모델록킹에 비해 Q스위칭은 훨씬 낮은 펄스 반복률, 훨씬 높은 펄스 에너지, 그리고 훨씬 긴 펄스 지속으로 이어진다. 두 가지 기법이 함께 적용되기도 한다.

Q 스위칭은 1958년 고든 굴드에 의해 처음 제안되었으며,[2] 1961년 또는 1962년 휴즈 연구소에서 R.W. 헬워스와 F.J. McClung에 의해 루비 레이저에 전기 스위치 커 셀 셔터를 사용하여 독자적으로 발견하여 시연하였다.[3] Q스위칭과 같은 광학적 비선형성은 이 작품으로 1981년 노벨상을 수상한 니콜라스 블룸버그젠이 충분히 설명했다.[4][5][6][7]

Q스위칭 원리

Q 스위칭은 레이저의 광학적 공명기에 가변 감쇠기의 어떤 유형을 넣어 이루어진다. 감쇠기가 작동 중일 때 이득 매개체를 떠난 빛이 되돌아오지 않고 래싱이 시작될 수 없다. 이 캐비티 내부의 감쇠는 광학적 공명기의 Q 계수 또는 품질 계수의 감소에 해당한다. Q 계수가 높으면 왕복 1회당 낮은 공명기 손실에 해당하며, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 가변 감쇠기는 일반적으로 이러한 목적으로 사용될 때 "Q-스위치"라고 불린다.

초기에 Q스위치를 설정한 상태에서 레이저 매체를 펌핑하여 게인 매체로 빛의 피드백을 차단한다(낮은 Q의 광학적 공명기를 생성함). 이렇게 하면 인구 역전이 발생하지만 공명기의 피드백이 없기 때문에 레이저 조작은 아직 일어날 수 없다. 자극된 방출 속도는 매체에 들어오는 빛의 양에 따라 달라지기 때문에 매체를 펌핑할수록 이득 매체에 저장된 에너지의 양이 증가한다. 자발적 방출과 다른 과정에서의 손실 때문에, 일정 시간 후에 저장된 에너지는 어느 정도 최대 수준에 도달할 것이다; 매체는 포화 상태가 된다고 한다. 이때 Q스위치 소자는 낮은 Q에서 높은 Q로 빠르게 변경되어 피드백과 자극된 방출에 의한 광학적 증폭 과정이 시작될 수 있다. 이득 매체에 이미 저장되어 있는 많은 양의 에너지로 인해 레이저 공명기의 빛의 세기는 매우 빠르게 축적된다; 이것은 또한 매체에 저장된 에너지를 거의 빨리 고갈시킨다. 순 결과는 거대 펄스라고 알려진 레이저에서 나오는 빛의 출력의 짧은 펄스로, 이것은 매우 높은 피크 강도를 가질 수 있다.

Q스위칭에는 크게 두 가지 유형이 있다.

활성 Q스위치

여기에서 Q-스위치는 외부적으로 제어되는 가변 감쇠기다. 이것은 셔터, 헬리콥터 바퀴 또는 회전하는 거울/프리즘과 같은 기계 장치일 수도 있고, 또는 (더 일반적으로) 음향-광학 장치, 자기-광학 효과 장치 또는 전기-광학 장치-포켈스 셀 또는 커 셀과 같은 어떤 형태의 모듈레이터일 수도 있다. 손실 감소(Q 증가)는 일반적으로 전기 신호인 외부 사건에 의해 촉발된다. 따라서 펄스 반복 속도는 외부적으로 제어할 수 있다. 변조기는 일반적으로 낮은 Q에서 높은 Q로 더 빠르게 전환할 수 있으며, 더 나은 제어 기능을 제공한다. 조절기의 또 다른 장점은 거부된 빛이 캐비티 밖으로 결합되어 다른 용도로 사용될 수 있다는 것이다. 또는 모듈레이터가 낮은 Q 상태에 있을 때 외부에서 생성된 빔을 모듈레이터를 통해 캐비티로 결합할 수 있다. 이를 통해 원하는 특성(횡단 모드나 파장 등)을 가진 빔으로 캐비티를 "씨딩"할 수 있다. Q를 올리면 초기 시드부터 레이싱이 쌓이면서 시드로부터 유전되는 특성을 가진 Q스위칭 펄스가 생성된다.

패시브 Q 스위칭

이 경우 Q스위치는 포화형 흡수기로, 빛의 강도가 어느 정도 임계값을 초과할 때 전송량이 증가하는 물질이다. 소재는 Cr과 같은 이온 도핑 결정일 수 있다.Nd의 Q-스위칭에 사용되는 YAG:YAG 레이저, 표백성 염료 또는 패시브 반도체 소자. 초기에는 흡수기의 손실은 높지만, 많은 양의 에너지가 이득 매체에 저장되면 일부 라싱을 허용할 수 있을 만큼 충분히 낮다. 레이저 동력이 증가하면 흡수기를 포화시켜 즉, 공명기 손실을 빠르게 감소시켜 동력이 더욱 빠르게 증가할 수 있다. 이상적으로는 이 때문에 흡수기가 손실이 적은 상태로 들어가 레이저 펄스에 의해 저장된 에너지를 효율적으로 추출할 수 있다. 맥박이 끝나면 흡수기는 이득이 회복되기 전에 고손실 상태로 회복되기 때문에 이득지의 에너지가 완전히 보충될 때까지 다음 맥박이 지연된다. 펄스 반복 속도는 레이저의 펌프 파워와 캐비티 내 포화성 흡수기의 양을 변화시킴으로써 간접적으로만 제어할 수 있다. 반복률의 직접 제어는 수동형 Q스위치뿐만 아니라 펄스 펌프 소스를 사용하여 달성할 수 있다.

변형

재생 증폭기. 빨간색 선: 레이저 빔. 빨간색 상자: 중간을 얻으십시오. 상단: AOM 기반 설계. 아래쪽: Pockel의 세포 기반 디자인은 얇은 막 편광기가 필요하다. 방출된 펄스의 방향은 타이밍에 따라 다르다.

지터는 Q를 그만큼 줄이지 않음으로써 줄일 수 있으므로, 적은 양의 빛이 여전히 충치에서 순환할 수 있다. 이것은 다음 Q 스위칭 펄스의 축적을 도울 수 있는 "씨드"의 빛을 제공한다.

캐비티 덤핑의 경우 캐비티 엔드 미러는 100% 반사되므로 Q가 높을 때 출력 빔이 생성되지 않는다. 대신, Q 스위치는 시간 지연 후 빔을 캐비티 밖으로 "덤핑"하는 데 사용된다. 캐비티 Q는 레이저 축적을 시작하기 위해 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동한 다음 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며 동시에 캐비티에서 빔을 "덤핑"한다. 이것은 일반 Q-스위치보다 짧은 출력 펄스를 생성한다. 전기-광학 조절기는 거의 완벽한 빔 "스위치"로 기능하도록 쉽게 만들어져서 빔을 캐비티 밖으로 연결시킬 수 있기 때문에 보통 이것을 위해 사용된다. 빔을 덤프하는 모듈레이터는 Q 스위칭으로 캐비티 또는 1초(아마도 동일) 모듈레이터일 수 있다. 버려진 공동은 단순한 Q-스위치보다 정렬하기가 더 복잡하며, 구멍에서 빔을 버리기 위한 최적의 시간을 선택하기 위해 제어 루프가 필요할 수 있다.

재생 증폭에서는 광학 증폭기가 Q-스위칭 캐비티 내부에 배치된다. 다른 레이저("마스터 오실레이터")에서 나오는 빛의 펄스는 Q를 낮춰 맥박이 들어갈 수 있도록 한 다음 Q를 증가시켜 게인 매체를 통한 반복적인 통과로 맥박이 증폭될 수 있는 캐비티로 맥박을 제한함으로써 캐비티로 주입된다. 그런 다음 다른 Q 스위치를 통해 펄스가 캐비티를 빠져나갈 수 있다.

일반적인 성능

일반적인 Q-스위치 레이저(예: Nd:공진기 길이(예: 10cm)의 YAG 레이저)는 수십 나노초 지속되는 광 펄스를 생성할 수 있다. 평균전력이 1W를 훨씬 밑돌 때에도 피크전력은 여러 킬로와트가 될 수 있다. 대규모 레이저 시스템은 기가와트 지역에서 많은 줄과 피크 파워의 에너지로 Q 스위칭 펄스를 생성할 수 있다. 반면에 수동적으로 Q-스위칭 마이크로칩 레이저(매우 짧은 공명기 포함)는 1나노초 미만의 지속 시간과 수백 헤르츠에서 수 메가헤르츠(MHz)에 이르는 펄스 반복 속도를 생성했다.

적용들

Q-스위칭 레이저는 금속 절단이나 펄스 홀로그래피와 같이 나노초 펄스의 높은 레이저 강도를 요구하는 어플리케이션에 자주 사용된다. 비선형 광학 장치는 종종 3D 광학 데이터 저장과 3D 마이크로 패브릭과 같은 응용 프로그램을 제공하면서 이러한 레이저의 높은 피크 파워를 이용한다. 단, Q-스위칭 레이저는 펄스가 어떤 표적에 도달하는 데 걸리는 시간, 반사광이 송신자에게 되돌아오는 시간을 측정하여 거리 측정(범위 찾기) 등의 측정 목적으로도 사용할 수 있다. 그것은 또한 화학적 동적 연구(예: 온도 점프 완화 연구)에도 사용될 수 있다.[8]

외부 오디오
Old (8497164706).jpg
audio icon "재생각 잉크", 증류 팟캐스트 에피소드 220, 과학 역사 연구소

Q스위치 레이저도 잉크 색소를 인체의 림프계에 의해 지워지는 입자로 쪼개 문신을 제거하는 데 사용된다. 완전 제거는 잉크의 양과 색상에 따라 6개에서 20개 사이의 시술을 할 수 있으며, 적어도 한 달 간격으로 다른 색상의 잉크에 다른 파장을 사용할 수 있다.[9] Nd:YAG 레이저는 높은 피크 파워, 높은 반복율, 상대적으로 낮은 비용으로 인해 현재 가장 선호되는 레이저다. 2013년 임상 연구를 기반으로 피코초 레이저가 도입되었는데, 이는 녹색과 연한 파란색과 같은 '어려운' 색상으로 더 나은 간극을 보여주는 것으로 보인다.[citation needed] 또한 Q-스위칭 레이저를 사용하여 다크 스팟을 제거하고 다른 피부 색소 침착 문제를 해결할 수 있다.[citation needed]

참고 항목

참조

  1. ^ Früngel, Frank B. A. (2014). Optical Pulses - Lasers - Measuring Techniques. Academic Press. p. 192. ISBN 9781483274317. Retrieved 1 February 2015.
  2. ^ Taylor, Nick (2000). LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war. New York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0. 페이지 93.
  3. ^ McClung, F.J.; Hellwarth, R.W. (1962). "Giant optical pulsations from ruby". Journal of Applied Physics. 33 (3): 828–829. Bibcode:1962JAP....33..828M. doi:10.1063/1.1777174.
  4. ^ The Laser Inventor. Springer Biographies. 2018. doi:10.1007/978-3-319-61940-8. ISBN 978-3-319-61939-2.
  5. ^ . doi:10.1364/NLO.2011.NWA2. Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말); 누락 또는 비어 있음 title= (도움말)
  6. ^ . doi:10.1126/science.156.3782.1557. Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말); 누락 또는 비어 있음 title= (도움말)
  7. ^ . doi:10.1016/0375-9601(68)90584-7. Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말); 누락 또는 비어 있음 title= (도움말)
  8. ^ Reiner, J. E.; Robertson, J. W. F.; Burden, D. L.; Burden, L. K.; Balijepalli, A.; Kasianowicz, J. J. (2013). "Temperature Sculpting in Yoctoliter Volumes". 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). "Second Chances". Distillations. Science History Institute. 4 (1): 12–23. Retrieved June 27, 2018.