Q-Schaltung, die manchmal als riesige Pulsbildung bekannt ist, ist eine Technik, durch die ein Laser gemacht werden kann, einen pulsierten Produktionsbalken zu erzeugen. Die Technik erlaubt die Produktion von Lichtimpulsen mit dem äußerst hohen (gigawatt) Maximalmacht viel höher, als es durch denselben Laser erzeugt würde, wenn es in einer dauernden Welle (unveränderliche Produktion) Weise bedienen würde. Im Vergleich zu modelocking, einer anderen Technik für die Pulsgeneration mit Lasern, führt Q-Schaltung zu viel niedrigeren Pulswiederholungsraten, viel höheren Pulsenergien und viel längeren Pulsdauern. Beide Techniken werden manchmal sofort angewandt.

Q-Schaltung wurde zuerst 1958 von Gordon Gould vorgeschlagen, und unabhängig entdeckt und hat 1961 oder 1962 durch R.W. Hellwarth demonstriert, und F.J. McClung, der elektrisch verwendet, hat Zellverschlüsse von Kerr in einem rubinroten Laser geschaltet.

Grundsatz der Q-Schaltung

Q-Schaltung wird durch das Stellen eines Typs des variablen Abschwächers innerhalb des optischen Resonators des Lasers erreicht. Wenn der Abschwächer fungiert, kehrt Licht, das das Gewinn-Medium verlässt, nicht zurück, und das Faulenzen kann nicht beginnen. Diese Verdünnung innerhalb der Höhle entspricht einer Abnahme im Q Faktor oder Qualitätsfaktor des optischen Resonators. Ein hoher Q Faktor entspricht niedrigen Resonator-Verlusten pro Hin- und Rückfahrt, und umgekehrt. Der variable Abschwächer wird einen "Q-Schalter", wenn verwendet, für diesen Zweck allgemein genannt.

Am Anfang wird das Lasermedium gepumpt, während der Q-Schalter veranlasst wird, Feed-Back des Lichtes ins Gewinn-Medium (das Produzieren eines optischen Resonators mit niedrigem Q) zu verhindern. Das erzeugt eine Bevölkerungsinversion, aber Laseroperation kann nicht noch vorkommen, da es kein Feed-Back vom Resonator gibt. Da die Rate der stimulierten Emission vom Betrag des Lichtes abhängig ist, das ins Medium, den Betrag der in den Gewinn-Medium-Zunahmen versorgten Energie eingeht, weil das Medium gepumpt wird. Wegen Verluste von der spontanen Emission und den anderen Prozessen nach einer bestimmten Zeit wird die versorgte Energie ein maximales Niveau erreichen; wie man sagt, ist das Medium gesättigter Gewinn. An diesem Punkt wird das Q-Schalter-Gerät von niedrig bis hohen Q schnell geändert, Feed-Back und dem Prozess der optischen Erweiterung durch die stimulierte Emission erlaubend, zu beginnen. Wegen des großen Betrags der im Gewinn-Medium bereits versorgten Energie entwickelt sich die Intensität des Lichtes im Laserresonator sehr schnell; das veranlasst auch die im Medium versorgte Energie, fast als schnell entleert zu werden. Das Nettoergebnis ist ein kurzer Puls der leichten Produktion vom Laser, der als ein riesiger Puls bekannt ist, der eine sehr hohe Maximalintensität haben kann.

Es gibt zwei Haupttypen der Q-Schaltung:

Aktive Q-Schaltung

Hier ist der Q-Schalter ein äußerlich kontrollierter variabler Abschwächer. Das kann ein mechanisches Gerät wie ein Verschluss, Hackmesser-Rad oder spinnender Spiegel/Prisma sein, der innerhalb der Höhle gelegt ist, oder (allgemeiner) kann es eine Form des Modulators wie ein Acousto-Sehgerät oder ein Electro-Sehgerät — eine Zelle von Pockels oder Zelle von Kerr sein. Die Verminderung von Verlusten (Zunahme von Q) wird durch ein Außenereignis, normalerweise ein elektrisches Signal ausgelöst. Die Pulswiederholungsrate kann deshalb äußerlich kontrolliert werden.

Modulatoren erlauben allgemein einen schnelleren Übergang von niedrig bis hohen Q, und stellen bessere Kontrolle zur Verfügung. Ein zusätzlicher Vorteil von Modulatoren besteht darin, dass das zurückgewiesene Licht aus der Höhle verbunden werden kann und für etwas anderes verwendet werden kann. Wechselweise, wenn der Modulator in seinem niedrigen-Q Staat ist, kann ein äußerlich erzeugter Balken in die Höhle durch den Modulator verbunden werden. Das kann verwendet werden, um die Höhle mit einem Balken "zu entsamen", der Eigenschaften (wie Querweise oder Wellenlänge) gewünscht hat. Wenn der Q erhoben wird, entwickelt sich das Faulenzen vom anfänglichen Samen, einen Q-switched Puls erzeugend, der Eigenschaften vom Samen erben ließ.

Passive Q-Schaltung

In diesem Fall ist der Q-Schalter ein saturable Absorber, ein Material, dessen Übertragung zunimmt, wenn die Intensität des Lichtes eine Schwelle überschreitet. Das Material kann ein Ion-lackierter Kristall wie Cr:YAG sein, der für die Q-Schaltung von Nd:YAG Lasern, einem Bleachable-Färbemittel oder einem passiven Halbleiter-Gerät verwendet wird. Am Anfang ist der Verlust des Absorbers hoch, aber noch niedrig genug, um zu erlauben, werden einige, einmal ein großer Betrag der Energie faulenzend, im Gewinn-Medium versorgt. Als die Lasermacht zunimmt, sättigt sie den Absorber, d. h., reduziert schnell den Resonator-Verlust, so dass die Macht noch schneller zunehmen kann. Ideal bringt das dem Absorber in einen Staat mit niedrigen Verlusten dazu, effiziente Förderung der versorgten Energie durch den Laserpuls zu erlauben. Nach dem Puls genest der Absorber zu seinem Staat des hohen Verlustes, bevor der Gewinn genest, so dass der folgende Puls verzögert wird, bis die Energie im Gewinn-Medium völlig wieder gefüllt wird. Die Pulswiederholungsrate kann nur z.B indirekt kontrolliert werden. durch das Verändern der Pumpe-Macht des Lasers und des Betrags des saturable Absorbers in der Höhle. Die direkte Kontrolle der Wiederholungsrate kann durch das Verwenden einer pulsierten Pumpe-Quelle sowie passiver Q-Schaltung erreicht werden.

Varianten

Die Richtung des ausgestrahlten Pulses hängt vom Timing ab.

• Bammel kann reduziert werden, indem er den Q durch so viel nicht reduziert wird, so dass ein kleiner Betrag des Lichtes noch in der Höhle zirkulieren kann. Das stellt einen "Samen" des Lichtes zur Verfügung, das in der Zunahme des folgenden Q-switched Pulses helfen kann.
• Das Höhle-Abladen: Die Höhle-Endspiegel sind um 100 % reflektierend, so dass kein Produktionsbalken erzeugt wird, wenn der Q hoch ist. Statt dessen wird der Q-Schalter verwendet, um den Balken aus der Höhle nach einer Verzögerung "abzuladen". Die Höhle Q geht von niedrig bis hoch, um die Laserzunahme anzufangen, und geht dann von hoch bis niedrig, um den Balken von der Höhle plötzlich "abzuladen". Das erzeugt einen kürzeren Produktionspuls als regelmäßige Q-Schaltung. Electro-Sehmodulatoren werden normalerweise dafür verwendet, da sie leicht gemacht werden können, als ein nah-vollkommener Balken-"Schalter" zu fungieren, um den Balken aus der Höhle zu verbinden. Der Modulator, der den Balken ablädt, kann derselbe Modulator dass Q-Schalter die Höhle, oder eine Sekunde (vielleicht identisch) Modulator sein. Eine abgeladene Höhle ist mehr kompliziert, um sich auszurichten, als einfache Q-Schaltung, und kann eine Kontrollschleife brauchen, um die beste Zeit zu wählen, in der man den Balken von der Höhle ablädt.
• Verbessernde Erweiterung: In der verbessernden Erweiterung wird ein optischer Verstärker innerhalb einer Q-switched Höhle gelegt. Pulse des Lichtes von einem anderen Laser (der "Master-Oszillator") werden in die Höhle durch das Senken des Q eingespritzt, um dem Puls zu erlauben, hereinzugehen und dann die Erhöhung des Q, um den Puls auf die Höhle zu beschränken, wo es durch den wiederholten verstärkt werden kann, führt das Gewinn-Medium durch. Dem Puls wird dann erlaubt, die Höhle über einen anderen Q-Schalter zu verlassen.

Typische Leistung

Ein typischer Q-switched Laser (z.B ein Nd:YAG Laser) mit einer Resonator-Länge von z.B 10 Cm kann Lichtimpulse von mehreren Zehnen der Nanosekunde-Dauer erzeugen. Selbst wenn die durchschnittliche Macht ganz unter 1 W ist, kann die Maximalmacht viele Kilowatt sein. Groß angelegte Lasersysteme können Q-switched Pulse mit Energien von vielen Joule und Maximalmächten im gigawatt Gebiet erzeugen. Andererseits passiv haben Q-switched Mikrochip-Laser (mit sehr kurzen Resonatoren) Pulse mit Dauern weit unter einer Nanosekunde und Pulswiederholungsraten von Hunderten des Hertz zu mehreren Megahertz (MHZ) erzeugt

Anwendungen

Q-switched Laser werden häufig in Anwendungen verwendet, die hohe Laserintensitäten in Nanosekunde-Pulsen wie Metallausschnitt fordern oder Holographie pulsiert haben. Nichtlineare Optik nutzt häufig die hohen Maximalmächte dieser Laser aus, Anwendungen wie optische 3D-Datenlagerung und 3D-Mikroherstellung anbietend. Jedoch können Q-switched Laser auch zu Maß-Zwecken, solcher bezüglich Entfernungsmaße (Reihe verwendet werden, die findet) durch das Messen der Zeit, die man für den Puls braucht, um zu einem Ziel und dem widerspiegelten Licht zu kommen, um dem Absender zurückzukommen.

Q-switched Laser werden auch verwendet, um Tätowierungen zu entfernen. Sie werden verwendet, um Tätowierungspigment in Partikeln zu zerschmettern, die durch das lymphatische System des Körpers geklärt werden. Volle Eliminierung nimmt einen Durchschnitt von acht Behandlungen, unter Drogeneinfluss mindestens ein Monat entfernt, verwendende verschiedene Wellenlängen für verschiedene farbige Tinten.

Siehe auch

• Laseraufbau
• Gewinn-Schaltung
• Einspritzung seeder
• Modelocking