Hispanopedia WikiLa conmutación Q , también conocida como formación de pulsos gigantes o supresión Q , [ 1 ] es una técnica que permite generar un haz de salida pulsado con un láser . Esta técnica posibilita la producción de pulsos de luz con una potencia pico extremadamente alta ( gigavatios ) , mucho mayor que la que produciría el mismo láser en modo de onda continua (salida constante). En comparación con el bloqueo de modos , otra técnica para la generación de pulsos con láseres, la conmutación Q produce frecuencias de repetición de pulso mucho menores, energías de pulso mucho mayores y duraciones de pulso mucho más largas. En ocasiones, ambas técnicas se aplican conjuntamente.
La conmutación Q fue propuesta por primera vez en 1958 por Gordon Gould , [ 2 ] y descubierta y demostrada independientemente en 1961 o 1962 por Robert W. Hellwarth y F.J. McClung en los Laboratorios de Investigación Hughes utilizando obturadores de celda Kerr conmutados eléctricamente en un láser de rubí . [ 3 ] Las no linealidades ópticas como la conmutación Q fueron explicadas completamente por Nicolaas Bloembergen , quien ganó el Premio Nobel en 1981 por este trabajo. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
Principio de conmutación Q
La conmutación Q se logra mediante la colocación de un atenuador variable dentro del resonador óptico del láser . Cuando el atenuador está en funcionamiento, la luz que sale del medio de ganancia no regresa, impidiendo la emisión láser. Esta atenuación dentro de la cavidad corresponde a una disminución del factor Q o factor de calidad del resonador óptico . Un factor Q elevado se traduce en bajas pérdidas del resonador por cada ciclo de luz, y viceversa. El atenuador variable se denomina comúnmente "conmutador Q" cuando se utiliza para este fin.
Inicialmente, el medio láser se bombea mientras el conmutador Q se ajusta 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 aún no puede ocurrir el funcionamiento del láser ya que 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 conmutador Q 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 provoca que la energía almacenada en el medio se agote casi con la misma rapidez. El resultado final es un pulso corto de luz emitido por el láser, conocido como pulso gigante , que puede tener una intensidad máxima muy alta.
Existen dos tipos principales de conmutación Q:
Conmutación Q activa
Aquí, el conmutador Q es un atenuador variable controlado externamente. Puede ser un dispositivo mecánico como un obturador, una rueda de modulación o un espejo/prisma giratorio colocado dentro de la cavidad, o (más comúnmente) puede ser algún tipo de modulador como un dispositivo acustoóptico , un dispositivo de efecto magnetoóptico o un dispositivo electroóptico : una celda de Pockels o una celda de Kerr . La reducción de pérdidas (aumento de Q) se activa mediante un evento externo, generalmente una señal eléctrica. Por lo tanto, la frecuencia de repetición de pulsos puede controlarse 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 puede acoplarse fuera de la cavidad y utilizarse para otros fines. Alternativamente, cuando el modulador está en su estado de Q bajo, un haz generado externamente puede acoplarse a la cavidad a través del modulador. Esto puede utilizarse para "sembrar" la cavidad con un haz que tenga las características deseadas (como el modo transversal o la longitud de onda). Cuando se aumenta el valor Q, la emisión láser se acumula a partir de la semilla inicial, produciendo un pulso conmutado Q que tiene características heredadas de la semilla.
Conmutación Q pasiva
En este caso, el conmutador Q es un absorbedor saturable , un material cuya transmisión aumenta cuando la intensidad de la luz supera cierto umbral. El material puede ser un cristal dopado con iones, como el Cr:YAG , que se utiliza para la conmutación Q de láseres Nd:YAG , un colorante blanqueable o un dispositivo semiconductor pasivo . Inicialmente, la pérdida del absorbedor es alta, pero aún lo suficientemente baja como para permitir cierta emisión láser una vez que se almacena una gran cantidad de energía en el medio de ganancia. A medida que aumenta la potencia del láser, el absorbedor se satura, es decir, la pérdida del resonador se reduce rápidamente, de modo que la potencia puede aumentar aún más rápido. Idealmente, esto lleva al absorbedor a un estado de bajas pérdidas para permitir la extracción eficiente de la energía almacenada por el pulso láser. Después del pulso, el absorbedor se recupera a 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 haya repuesto por completo. La frecuencia de repetición de pulsos solo se puede controlar indirectamente, por ejemplo, variando la potencia de bombeo del láser y la cantidad de absorbente saturable en la cavidad. El control directo de la frecuencia de repetición se puede lograr utilizando una fuente de bombeo pulsada, así como la conmutación Q pasiva.
Variantes
La fluctuación temporal (jitter) se puede reducir disminuyendo el factor Q en exceso, de modo que una pequeña cantidad de luz pueda seguir circulando en la cavidad. Esto proporciona una "semilla" de luz que puede ayudar a generar el siguiente pulso conmutado por Q.
Con la técnica de descarga de cavidad , los espejos de los extremos de la cavidad son 100% reflectantes, por lo que no se produce ningún haz de salida cuando el factor Q es alto. En su lugar, se utiliza un conmutador Q para "descargar" el haz fuera de la cavidad tras un retardo. El factor Q de la cavidad pasa de bajo a alto para iniciar la acumulación del láser y, a continuación, pasa de alto a bajo para "descargar" el haz de la cavidad de una sola vez. Esto produce un pulso de salida más corto que el de la conmutación Q convencional. Normalmente se utilizan moduladores electroópticos para esto, ya que pueden funcionar fácilmente como un conmutador de haz casi perfecto para acoplar el haz fuera de la cavidad. El modulador que descarga el haz puede ser el mismo que realiza la conmutación Q de la cavidad, o un segundo modulador (posiblemente idéntico). Una cavidad con descarga es más compleja de alinear que una simple conmutación Q y puede requerir un bucle de control para elegir el momento óptimo para descargar el haz de la cavidad.
En la amplificación regenerativa, un amplificador óptico se coloca dentro de una cavidad con conmutación Q. Pulsos de luz de otro láser (el "oscilador maestro") se inyectan en la cavidad disminuyendo el factor Q para permitir la entrada del pulso y luego aumentándolo para confinarlo a la cavidad, donde se puede amplificar mediante sucesivas pasadas a través del medio de ganancia. Posteriormente, el pulso sale de la cavidad mediante otra conmutación Q.
Rendimiento típico
Un láser típico con conmutación Q (por ejemplo, un láser Nd:YAG) con una longitud de resonador de, digamos, 10 cm, puede producir pulsos de luz de varias decenas de nanosegundos de duración. Incluso cuando la potencia promedio es muy inferior a 1 W, la potencia pico puede alcanzar varios kilovatios. Los sistemas láser a gran escala pueden producir pulsos con conmutación Q con energías de muchos julios y potencias pico en el rango de los gigavatios. Por otro lado, los láseres de microchip con conmutación Q pasiva (con resonadores muy cortos) han generado pulsos con duraciones muy inferiores a un nanosegundo y frecuencias de repetición de pulsos desde cientos de hercios hasta varios megahercios (MHz).
Aplicaciones
Los láseres con conmutación Q se utilizan frecuentemente en aplicaciones que requieren altas intensidades láser en pulsos de nanosegundos, como el corte de metales o la holografía pulsada . La óptica no lineal suele aprovechar las altas potencias pico de estos láseres, ofreciendo aplicaciones como el almacenamiento óptico de datos 3D y la microfabricación 3D . Sin embargo, los láseres con conmutación Q también pueden utilizarse para mediciones, como la medición de distancias ( telémetros ), midiendo el tiempo que tarda el pulso en llegar a un objetivo y la luz reflejada en regresar al emisor. También pueden emplearse en estudios de dinámica química , por ejemplo, en estudios de relajación por salto de temperatura . [ 8 ]
Los láseres Q-switched también se utilizan para eliminar tatuajes al fragmentar 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, con un intervalo mínimo de un mes entre cada uno, utilizando diferentes longitudes de onda para diferentes colores de tinta. [ 9 ] Los láseres Nd:YAG son actualmente los más preferidos debido a su alta potencia máxima, altas tasas de repetición y costos relativamente bajos. En 2013 se introdujo un láser de picosegundos basado en investigaciones clínicas que parecen mostrar una mejor eliminación con colores difíciles de eliminar, como el verde y el azul claro. Los láseres Q-switched también se pueden utilizar para eliminar manchas oscuras y corregir otros problemas de pigmentación de la piel.
Véase también
Referencias
- ↑ Früngel, Frank BA (2014). Pulsos ópticos - Láseres - Técnicas de medición . Academic Press. pág. 192. ISBN 9781483274317Consultado el 1 de febrero de 2015 .
- ↑ Taylor, Nick (2000). LÁSER: El inventor, el premio Nobel y la guerra de patentes de treinta años . Nueva York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0.pág. 93.
- ↑ McClung, FJ; Hellwarth, RW (1962). "Pulsaciones ópticas gigantes del rubí". Journal of Applied Physics . 33 (3): 828– 829. Bibcode : 1962JAP....33..828M . doi : 10.1063/1.1777174 .
- ↑ El inventor del láser . Biografías de Springer. 2018. doi : 10.1007/978-3-319-61940-8 . ISBN 978-3-319-61939-2.
- ↑ Bloembergen, Nicolaas (2011). "El nacimiento de la óptica no lineal". Óptica no lineal : NWA2. doi : 10.1364/nlo.2011.nwa2 . ISBN 978-1-55752-915-2.
- ↑ DeMaria, AJ; Stetser, DA; Glenn, WH (1967-06-23). "Pulsos de luz ultracortos". Science . 156 (3782): 1557– 1568. Bibcode : 1967Sci...156.1557D . doi : 10.1126/science.156.3782.1557 . ISSN 0036-8075 . PMID 17797635 . S2CID 27074052 .
- ↑ Treacy, EB (1968). "Compresión de pulsos de luz de picosegundos". Physics Letters A . 28 (1): 34– 35. Bibcode : 1968PhLA...28...34T . doi : 10.1016/0375-9601(68)90584-7 .
- ↑ Reiner, JE; Robertson, JWF; Burden, DL; Burden, LK; Balijepalli, A.; Kasianowicz, JJ (2013). "Escultura de temperatura en volúmenes de yoctolitros" . 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 .
- ↑ Klett, Joseph (2018). "Segundas oportunidades" . Destilaciones . 4 (1). Science History Institute : 12–23 . Recuperado el 27 de junio de 2018 .
- Ciencia láser
