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波板

From Wikipedia, the free encyclopedia
 
 
半波板:
能將入射光,極化為兩道平行(綠)與垂直(藍)於光軸的波。
相對於垂直於光軸的光波,平行於光軸的光波在波板中的傳遞是較慢的,
這導致光波在波板的終端,平行於光軸的光波,與垂直於光軸的光波,有半個波長這樣距離上的延遲,
並使最終合併在一起的光波(紅),與入射光呈現垂直偏極化的結果。

 

波板(或 retarder)是一種可改變入射光極化方向的光學元件。

運作

藉由偏移光波中兩兩互相垂直的極化光分量的相位,是波板的主要運作方式。 典型的波板,是由簡單的雙折射晶體組成,其晶體則需經嚴格的挑選,包括厚度與方向性,都要被納人比較。晶體被切割以使得光軸平行於波板的表面。被偏極過、兩兩互相垂直的偏極光,以不同的速度通過晶格,並產生相位差。當 extraordinary index 比 ordinary index 小(像是方解石中),extraordinary axis 被稱為"快軸",而垂直其方向的平面,則稱為"慢軸"。隨著晶體厚度的不同,延著兩兩互相垂直方向的光極化分量,最後會顯現成為不同的極化態。

沿慢軸偏振光稱為 ordinary light,沿快軸偏振光稱為 extraordinary light。

波板根據相對相位數(the amount of relative phase) \Gamma 來區分,並有著如下的關係式:

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DPSS Laser(Diode-pumped Solid-State Laser)

Diode-pumped Solid-State (DPSS) laser 是一種透過 pump 一固態增益材料的方式產生的固態雷射。例如,以紅寶石、釹雅鉻晶體作為增益材料,透過雷射二極體而成的 Ruby Laser(紅寶石雷射)、Nd-Yag Laser(釹雅鉻雷射)。

  

相較於其他類型的雷射,DPSS 雷射具有小巧及高轉換效率的優勢,且具有高功率的 DPSS 雷射,在許多科學應用的領域上,已經取代離子雷射、Flashlamp-pumped 雷射。目前簡報會議中常見的 laser pointer 亦是 DPSS 雷射的一種,這類雷射為綠色或其他顏色。

 

耦合(Coupling)

藉由調整 Laser Diode 的溫度,使雷射晶體在吸收係數與放射能量效率上達到理想的比例,並可測得此穩定參數下、雷射的波長。

高功率雷射只需使用單一的晶體,但很多 Laser Diode 被以類似串聯或並聯的方式排列著,這個方式可以達到晶體成像的透鏡效果。藉由實驗、調整的方式,決定 Laser Diode 之間最佳的黑暗區域,達到高亮度(意味著 - 更好的雷射能量分佈、更長的使用壽命)的目的。這還需要能夠精準控制溫度的散熱系統、提供穩定且精確的電流。大致上來說,可以由兩個步驟完成:

1. fast axis 由一預先校正準直過的柱狀微透鏡去調整其準直性。

2. 此時經由校準過、進入晶體中的光束,可由晶體縱向的前後兩端、或晶體橫向的三面以上的方向,將晶體激發出雷射。

經由上述兩個步驟,光束在穿過晶體陣列之後產生的雷射,可以被耦合進光纖(fiber)中,當然,這光纖事先被精準且正確地放置於光路中(在 Laser Diode 和後面的微透鏡之間)。

雷射耦合到光纖中、通過光纖後,在光纖的末端(遠離雷射的方向),形成一束 profile 為良好的圓形、無間隙、標準的雷射。

常見的 DPSS 雷射的流程


最常見的 DPSS 雷射是波長為 532nm 的 Green 雷射。由功率大於 200mW、波長為 808nm 的高能 Laser Diode 去激發 Nd:Yag 或 Nd:YVO4 晶體,進而由上述晶體產生出波長為 1064nm 的雷射光束。接下來,1064nm 的雷射光束,通過 KTP 晶體(非線性的光學轉換過程),倍頻成為 532nm 的雷射。

Green DPSS 雷射的轉換效率大約為 20%,有些雷射的轉換效率可高達 35%。也就是說,若以 2.5W 的 Laser Diode 能量去 pump KTP 倍頻器,理想上,我們預期能產生出 500~900 mW 、波長為 532nm 雷射。

在理想情況下,Nd:YVO4 的轉換效率為 60%,同時 KTP 的轉換效率為 80%。也就是說,理論上,Green DPSS Laser 的整體轉換效率為 48%。
實際上,在輸出功率相當高的情況下,倍頻晶體相當容易受損。因此,高功率 DPSS Laser 通常設計成具有較大的光束直徑,讓光束在到達 KTP 之前擴散開來,減少 IR 對於晶體的損傷。若是希望維持光束直徑較小的特性,可採用如 LBO 這種損傷閥值較高(需要 IR 的能量較高時才會受損)的晶體取代。

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「重塑角膜」的手術,為什麼要用上準分子雷射呢?

因為它的特性在於對人體組織的穿透性極小,能夠將對組織的傷害減到最低,

卻又可以精確削去組織表層,達成修整眼角膜的目的。


眼睛,其實是一部極為纖細精密的光學儀器,只要有一點點的損傷,都可能造成重大的傷害,

而準分子雷射的特性便在於它可以在很短時間內削除非常薄的角膜表層,

卻又幾乎不會造成鄰近組織的損傷,

所以產生的瘢痕極為細小,而且也不會造成角膜強度的改變。


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Q-switch (Q switch,Q-switching)

Q-switching,以具有「大能量的脈衝」聞名,是一項能產生脈衝式雷射的科技。這項科技能讓雷射釋出相當高(Giga Watt)能量峰值的脈衝光。以 Q-switch 觸發的雷射,具有遠比以 CW(連續波)觸發的方式還要高的能量。相較於另一項脈衝雷射的新科技(mode locking)比較,Q-switch 型的雷射為頻率較低、單脈衝能量較高的特性,脈衝長度也較長。這兩項科技,有時候會同時被應用在某些用途上。

 

Q-switching 技術於 1958 年,由 Gordon Gould 首度提出,並由 R.W. Hellwarth F.J. McClung 1961 年(或 1962 年)建立,並在 Ruby 雷射中,以electrically switched Kerr cell shutters (電子式切換 Kerr cell 快門?)證實。

 

Q-switching的原理:

Q-switching 的效果可由放入可變衰減器到雷射共振腔中達成。當衰減器被啟用時,由增益材料(可被激發並釋出光線的材料)被激發出來的光線並不會被反射回去(故雷射此時尚無法開始擊發)。在共振腔中放入衰減器,等同於降低 Q-factorquality factor of the optical resonator)數值的效果。當 Q-factor 值越高時,代表光線在共振腔中每次來回共振的損失越低,反之則是損失增加。而用於這個用途的「可變衰減器」,正是我們常聽到的「Q-switch」。

 

首先,供激發的雷射材料被激發出光線,而在其後的 Q-switch 則使傳遞過來的光線無法反射回雷射材料(這種情況,等效於製造一個 Q-factor 較低的共振腔)。雖然這樣會促成群數反轉效應,但由於光線仍然留在 Q-switch 裡,尚未反射回雷射材料,故雷射尚未開始擊發。由於雷射的擊發頻率取決於進入雷射材料的光線量,當雷射材料被氙燈(即 Q-switch Laser 中常見的 Lamp)pumping 時,儲存在增益材料中的能量不斷上升。由於自發性發射光線或其他程序的損失,在一段時間之後,儲存在增益材料中的能量會達到某個臨界高點(我們說這項材料已經飽和了),此時,Q-switch 元件會很快地由低 Q-factor 轉變為高 Q-factor,使得光線得以射回雷射材料,雷射此時已啟動並開始擊發。由於儲存在增益材料中的能量相當高的緣故,光線的能量在共振腔中能極快地提昇(這也使儲存在增益材料中的能量急速耗盡)。整體上,我們在外部看到的結果是一束能量密度相當高的雷射光束被擊發出雷射腔。

 

Q-switching主要有兩種類型:

主動式Q-switching

在這裡,Q-switch 是一個由外部控制、Q-factor 可變的衰減器。我們能利用機械性裝置(如在共振腔中擺放shutterchopper wheelspinning mirror),或是利用某種調節器(如聲光或光電元件)達成效果-如 Pockels cell Kerr cell。能量損失率的降低(或是 Q-factor 的升高)由外部事件觸發;一般而言,是以電子訊號觸發。也因此,雷射脈波的擊發頻率可以由此控制。

 

一般來說,這種調節器具有快速地由低的 Q-factor 轉換為高 Q-factor 的功能,並提供良好的控制。額外的優點是:被拒絕的光線也許會因為被耦合而釋出共振腔,這項優點可以被應用在其他用途。當 Q-switch 處於低 Q-factor 的狀態時,一個由外部產生的光束能夠被耦合併穿透調節器、進入共振腔。這可以拿來在共振腔中「播種」。只要我們由外部打入具有我們要求性質的光束(如反轉模態或某種波長),當 Q-factor 被急速提昇時,由雷射釋出的 Q-switched 脈衝光,將繼承我們播入種子的特性。

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Q-switching

 

From Wikipedia, the free encyclopedia

 

Q-switching, sometimes known as giant pulse formation, is a technique by which a laser can be made to produce a pulsed output beam. The technique allows the production of light pulses with extremely high (gigawatt) peak power, much higher than would be produced by the same laser if it were operating in a continuous wave (constant output) mode. Compared to modelocking, another technique for pulse generation with lasers, Q-switching leads to much lower pulse repetition rates, much higher pulse energies, and much longer pulse durations. Both techniques are sometimes applied at once .

 

Q-switching was first proposed in 1958 by Gordon Gould, and independently discovered and demonstrated in 1961 or 1962 by R.W. Hellwarth and F.J. McClung using electrically switched Kerr cell shutters in a ruby laser.

 

Principle of Q-switching

 

Q-switching is achieved by putting some type of variable attenuator inside the laser's optical resonator. When the attenuator is functioning, light which leaves the gain medium does not return, and lasing cannot begin. This attenuation inside the cavity corresponds to a decrease in the Q factor or quality factor of the optical resonator. A high Q factor corresponds to low resonator losses per roundtrip, and vice versa. The variable attenuator is commonly called a "Q-switch", when used for this purpose.

 

Initially the laser medium is pumped while the Q-switch is set to prevent feedback of light into the gain medium (producing an optical resonator with low Q). This produces a population inversion, but laser operation cannot yet occur since there is no feedback from the resonator. Since the rate of stimulated emission is dependent on the amount of light entering the medium, the amount of energy stored in the gain medium increases as the medium is pumped. Due to losses from spontaneous emission and other processes, after a certain time the stored energy will reach some maximum level; the medium is said to be gain saturated. At this point, the Q-switch device is quickly changed from low to high Q, allowing feedback and the process of optical amplification by stimulated emission to begin. Because of the large amount of energy already stored in the gain medium, the intensity of light in the laser resonator builds up very quickly; this also causes the energy stored in the medium to be depleted almost as quickly. The net result is a short pulse of light output from the laser, known as a giant pulse, which may have a very high peak intensity.

 

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