Q-Switch

Q-switching היא שיטה לגרום ללייזר להפיק פולסים, במקום ללזור באופן רציף. מבין השיטות שמייצרות לזירה פולסית, Q-switching מתאפיינת בעוצמת פולס גבוהה מאוד (סדר גודל של ג'יגה וואט) וקצב פולסים נמוך. לפולסים של לייזר יש שימושים רבים, למשל בחיתוך וקידוח בלייזר, באופטיקה לא ליניארית ובהאצת פלסמה.

עקרונות

פעולתו הבסיסית של לייזר מבוססת על מנגנון שאיבה כלשהו הגורם להיפוך אוכלוסין בתווך המגביר. הפוטונים, הנפלטים בפליטה מאולצת, יוגברו עקב מעבר חוזר בתווך המגביר - וזאת על ידי שימוש במהוד. כתוצאה מכך ישנה אנרגיה הכלואה בתוך המהוד. אם כן, לייזר דורש מספר מרכיבים בסיסיים:

• תווך מגביר (active media).
• מהוד לאגירת אנרגיה.
• מנגנון שאיבה.

אחת הדרכים להגדיר את מקדם האיכות היא היחס בין האנרגיה האגורה במהוד לזו הנפלטת ממנו (במחזור בודד) כך ש:

$Q=2\pi \times {\frac {\mbox{Peak Energy Stored}}{\mbox{Energy dissipated per cycle}}}\,$

גורם זה הוא האחראי על ההפסדים במהוד. ככל שהוא יותר נמוך כך יש יותר הפסדים והלייזר פחות יעיל ופולט פחות קרינה. אולם ניתן לנצל הפסדי פליטה אלו - ולאגור יותר אנרגיה בתוך המהוד.

הסבר כללי

סכימה של מספר הפוטונים, והפרש האכלוס כפונקציה של הזמן. (חסר יחידות).

יש להבין תחילה בקצרה כיצד מתרחש תהליך הלזירה. באופן כללי, ככל שהפרש האוכלוסין ההתחלתי גדול יותר, כך מספר הפוטונים הנפלט יהיה גדול יותר ולכן גם העוצמה. כאשר תהליך הלזירה מתחיל, מספר הפוטונים עולה, במקביל לירידת מספר האלקטרונים המאכלסים את הרמה העליונה, כמתואר בתמונה.

בשיטת מיתוג זו, באופן כללי, אם נגרום באופן מלאכותי למהוד לא לתפקד כמהוד, ונמשיך את תהליך השאיבה, הלייזר יגיע להיפוך אוכלוסין אך לא יוכל לפלוט אנרגיה החוצה. היפוך האוכלוסין ילך ויגדל מעבר לערך הסף, כך שכשנחזיר את המהוד והפליטה המאולצת "תרוקן" את האנרגיה בזמן קצר, כך שייווצר פולס קצר ועוצמתי. לדוגמה, כדי ליצור תהליך שכזה ניתן לחסום מראה אחת ממראות המהוד, ובכך להרוס את משוב הקרינה ולהוריד את גורם האיכות באופן מלאכותי. החזרת המראה לתפקוד במהוד תעלה את גורם האיכות וליצירת הפולס.
תהליך זה נקרא Q-switching, שכן המהוד נע בין Q גבוה לנמוך. תנאי הפעולה:

1. זמן החיים ברמה העליונה גדול מזמן בניית האנרגיה במהוד.
2. זמן השאיבה גדול מזמן בניית האנרגיה במהוד.
3. הפסדי המהוד גדולים מההגברה.
4. ההפסדים יקטנו בצורה רגעית.

תקציר מתמטי

נגדיר את היפוך האוכלוסין, ${\textstyle }M$, כך:

${\textstyle }M=\Delta N\cdot V$

כאשר ${\textstyle }V$ הוא נפח, ו ${\textstyle }\Delta N$ הוא הפרש האכלוס בין הרמות הלוזרות. מהגדרה זו ומתוך משוואות הקצב ניתן לבטא את קצב שינוי מספר הפוטונים כך:

${\textstyle }{\frac {d\Phi }{dt}}=\Phi \left({\frac {M}{M_{th}}}-1\right)$

${\textstyle }{\frac {dM}{dt}}=-2\left(\Phi {\frac {M_{th}}{M}}\right)$

כאשר ${\textstyle }\Phi$ מייצג את מספר הפוטונים.
ממשואות אלה נקבל את מספר הפוטונים:

${\textstyle }\Phi ={\frac {1}{2}}\left[M_{th}\ln {\frac {M}{M_{0}}}-\left(M-M_{0}\right)\right]$

כאשר ${\textstyle }M_{0}$ הוא האכלוס ההתחלתי. העוצמה הרגעית תהיה:

${\textstyle }P=\Phi {\frac {h\nu }{t_{c}}}={\frac {h\nu }{2t_{c}}}\left[M_{th}\ln {\frac {M}{M_{0}}}-\left(M-M_{0}\right)\right]$

כאשר ${\textstyle }t_{c}$ הוא זמן דעיכת המהוד.
העוצמה המקסימלית תהיה:

${\textstyle }P=\Phi {\frac {h\nu }{t_{c}}}={\frac {h\nu }{2t_{c}}}\left[M_{th}\ln {\frac {M_{th}}{M_{0}}}-\left(M_{th}-M_{0}\right)\right]$

סיכום והסבר איכותי

סכימה של מספר הפוטונים, והפרש האכלוס כפונקציה של הזמן. (חסר יחידות).

כמו שניתן לראות בגרף המצורף, ניצור מצב בו ההפסד ההתחלתי הוא גבוה (מקדם איכות נמוך). כך היפוך האוכלוסין, וכמובן גם ההגבר, הולך ונבנה כך שיש יותר ויותר אנרגיה בתוך המהוד. התווך הפעיל נשאב לערכים גבוהים בהרבה ממצב הלזירה הרגיל בעל ההפסד הנמוך. כאשר מסירים את גורם ההפסד, ההפסד יורד חזרה לערכו הרגיל בזמן מאוד קצר, וגורם האיכות עולה במהירות כך שההגבר הופך לגבוה מההפסד, והפוטונים שנפלטו בצורה ספונטנית גורמים מהר מאוד לפליטה מאולצת ולפולס חזק וקצר של לייזר. כאשר הרמה העליונה מתרוקנת, והפרש האוכלוסין קטן, ההגבר יורד מתחת לסף ההפסד והלזירה נפסקת.
עוצמת הפולס גבוה מעוצמת המצב היציב, שכן אותה אנרגיה נדחסת לזמן קצר.

ראו גם

• מקדם איכות