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。

 

被動式 Q-switching

在這種類型中,Q-switch 是一個可飽和的吸收器,它是一種只要能量密度被提昇到超過到某種臨界值時,穿透率會提昇的材質。這種材料也許是 ion-doped 晶體,如CrYAG(用於 Nd-YAG 雷射),一種可褪色的染料,或是被動式半導體元件。在一開始,吸收器的能量損失率雖然頗高,但相對低於儲存在增益材料中的能量,它允許能量穿透吸收器。例如:當雷射的功率提高時,吸收器開始飽和,並且很快地減少共振腔中能量的損失率,故雷射的功率能更快地被提高。觀念上,這將使吸收器轉至低能量損失率的狀態,以允許由雷射材料中激發出的光線儲存的能量被解放。在這一個脈衝波之後,吸收器還原至高損失率的狀態,直到吸收器被再度充滿飽和後,才會有另一個脈衝波被擊發。脈衝擊發的頻率可以被直接控制,例如:透過改變雷射的 pumping 功率及腔體內吸收器的數目。我們也可以像被動式 Q-switching 一樣,由脈衝式的雷射 pump 源來控制功率。

 

差異:略。

 

Typical performance

標準的 Q-switched 雷射(如 NdYAG 雷射),具有例如 10 cm 長的共振腔,可以產生脈衝長度為數十 ns 的脈衝光。甚至平均功率在1 W 以下,脈衝光功率的峰值可高達數千瓦。大型雷射系統則可以產生數焦耳的 Q-switched 脈衝光,以及高達數Giga-watt的功率峰值。另外,被動式的 Q-switched 微型雷射(共振腔非常小)可產生 duration 遠小於1 ns、頻率由數百甚至數 MHz 的脈衝光。

 

應用:

Q-switched 雷射常被應用於在 duration 為數 ns 尺度下的脈衝光,就具有高雷射能量密度的需求上,像是金屬切割或是脈衝型全像術。非線性光學常利用其高功率峰值的特性,提供像是 3D 光學資料儲存或是 3D 微處製程上。Q-switched 雷射也常被使用於測量的用途,例如利用測量脈衝光在雷射及目標物間往返的時間,達到測量距離的目的。

 

Q-switched 雷射也被用於移除刺青。它被用於破壞刺青的顏料,使顏料被破壞到身體的淋巴系統可以排泄掉的粒子型態。平均上,完全去除刺青需要八個療程,至少需要一個月的時間,利用不同波長的雷射去除不同顏料的刺青。

 

 

Reference:翻譯自 Wiki:http://en.wikipedia.org/wiki/Q-switching

2010/12/14 增修翻譯不佳的內容及排版。

genlee 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(6) 人氣()


留言列表 (6)

發表留言
  • 小謝
  • 感謝你提供的翻譯
  • 謝謝您的特地留言~
    我也沒想到會有這麼多的人對這項技術有興趣~

    genlee 於 2011/05/08 10:00 回覆

  • 訪客
  • 感謝您的翻譯
  • ^^

    genlee 於 2011/12/28 08:15 回覆

  • GUEST
  • 感恩翻譯
  • ^^

    genlee 於 2012/10/31 11:20 回覆

  • 訪客
  • 這年頭有這種貼文已經很罕見了

    非常感謝(跪)
  • 剛好是大學本科系的雷射光學範圍,
    出社會就業後,略有用到這部分的資訊,
    所以就翻譯了一下'^^

    genlee 於 2013/02/12 22:44 回覆

  • Grace ESL
  • 謝謝你的翻譯,比WIKI上詳細好多喔!
  • 歡迎多多參考,若是發現翻譯有誤的地方,也麻煩不吝指出錯誤 ^_^

    genlee 於 2014/02/03 21:53 回覆

  • 路人
  • 謝謝你的翻譯!很有幫助^^
  • 謝謝您的撥冗留言~

    genlee 於 2014/03/14 23:37 回覆