آشنایی با فیزیک لیزر Q-Switch (بخش 1)

آشناییی با لیزر کیوسوییچ (Q-Switch)

لیزر Q-Switch لیزریست که از تکنیک سوئیچینگ (جابجایی بین دو حالت) با روش فعال (Active) یا غیرفعال (Passive) استفاده می کند و پالس لیزر پرانرژی ساطع می کند. معمولا کاربرد چنین لیزرهایی در پردازش مواد (مانند برشکاری، سوراخ کاری و حکاکی لیزری)، پزشکی، لیدار و سنجش از راه دور می باشد.

فیزیک لیزرهای مبتنی بر فرایند Q-Switch

در ادامه، قدم به قدم به شرح فرایند Q-Switch خواهیم پرداخت. وقتی لیزر ساطع می شود، مقدار وارونگی جمعیت (جهت آشنایی با این مفهوم، بخش وارونگی جمعیت مقاله لیزر co2 را مطالعه فرمایید.) در مقدار آستانه (کمترین میزان وارونگی جمعیت برای تولید لیزر) ثابت می ماند؛ یعنی انگار در آن قفل می شود که باعث می شود وارونگی جمعیت زیاد نشود و انرژی که توسط عامل دمش به مجموعه تزریق می شود به جای اینکه وارونگی جمعیت را زیاد کند تبدیل به لیزر شود. پس علت اینکه در شروع لیزر، وارونگی جمعیت افزایش پیدا نمی کند، شروع تولید و نوسان نور لیزر می باشد.

اگر مانع از شروع لیزر شویم آیا این امکان وجود خواهد داشت که با ادامه فرایند دمش، وارونگی جمعیت هم رفته رفته بیشتر شود؟

پاسخ به این سوال مثبت می باشد، این امکان وجود دارد که شرایط را طوری مهیا کنیم که شروع لیزر را تا حدی به تاخیر بیندازیم و در این مدت وارونگی جمعیت را تا جایی که امکان دارد از مقدار آستانه بیشتر کنیم و بالا ببریم.

نتیجه این کار چیست؟

کاملا مشخص است که اگر اجازه دهیم شروع لیزر به تاخیر بیفتد و در این مدت، وارونگی جمعیت بیشتر و بیشتر شود، در یک لحظه با حذف عامل یا عواملی که مانع از نوسان لیزری شده بودند، شرایط برای تولید لیزر مهیا می شود اما با یک وارونگی جمعیت خیلی زیاد!

این کار باعث می شود که پالس لیزری قوی تولید شود. مثلا در یک کاواک لیزری که محیط فعال داخل آن قرار دارد و دمش هم در حال انجام است یک مانع بین محیط فعال و یکی از آینه ها بگذاریم. تا وقتی این مانع حضور داشته باشد هیچ نوسان لیزری رخ نمی دهد و دمش باعث می شود که یک وارونگی جمعیت افزایشی (تا یک حد مشخص) شکل بگیرد.

حالا اگر اجازه دهیم این وارونگی جمعیت بیشتر و بیشتر شود و به حد مطلوب ما (خیلی بیشتر از وارونگی جمعیت آستانه) برسد، در یک لحظه می توانیم مانع را برداریم. با این کار شرایط نوسان لیزری مهیا می شود و پالس لیزری قوی تولید می شود. انگار یک سد پر از آب را به یکباره باز کنیم.

شکل 1: شبیه سازی و شماتیک فرایند Q-Switching در لیزرها

این فرایند که در آن با مسدود کردن موقتی مسیر لیزری و ایجاد وارونگی جمعیت خیلی زیاد به پالس قوی لیزری می رسیم، Q-Switch شناخته می شود.

منظور از Q حرف اول کلمه Quality به معنای کیفیت است که به ضریب کیفیت اشاره دارد.

کاواک لیزر عمدتا برای ذخیره کردن انرژی الکترومغناطیسی و نور کاربرد دارد. هدف استفاده از کاواک در لیزر آن است که انرژی نور را در قسمت محدودی از فضا محبوس کند تا بتواند برهمکنش آن با ماده فعال لیزری را تقویت کند. هر سیستم واقعی که کار ذخیره سازی انجام دهد همیشه مقداری نشتی دارد؛ این نشتی می تواند به دلیل اتلاف های ناخواسته در داخل کاواک باشد و یا ممکن است که خودمان عمدا آن نشتی را ایجاد کرده باشیم.

داخل یک کاواک لیزری هر دو نوع این اتلاف ها وجود دارد که باعث می شود انرژی الکترومغناطیسی ذخیره شده در داخل یک کاواک به بیرون نشت داشته باشد. آن دسته از نشتی ها که به طور عمدی ایجاد می شوند مد نظر ماست.

ما باید بتوانیم میزان نشتی یک کاواک تشدیدی را به طور کمی بیان کنیم. برای بیان میزان نشتی یک کاواک از مفهومی به نام ضریب کیفیت کاواک استفاده می کنیم. همانطور که گفتیم ضریب کیفیت یک کاواک را با Q نشان می دهیم که اول کلمه Quality یا همان کیفیت می باشد. هر چقدر ضریب کیفیت یک کاواک بیشتر باشد یعنی نشتی کمتر است و هر چقدر ضریب کیفیت یک کاواک کمتر باشد یعنی نشتی بیشتر است.

توضیح بالا صرفا برای آشنایی شما با لفظ ضریب کیفیت بود؛ در ادامه بحث اصلی خود را ادامه خواهیم داد.

وقتی که با وارد کردن یک مانع باعث مسدود شدن موقتی آینه شویم، در حقیقت ضریب کیفیت یک کاواک را بسیار کم می کنیم یعنی Q=0 و با این کار امکان افزایش وارونگی جمعیت (بیشتر از مقدار آستانه) را فراهم می کنیم.

با برداشتن مانع، آینه دوم از دوباره وارد کار می شود و ضریب کیفیت کاواک بالا می رود ( Q بالا می رود) و وارونگی جمعیت ایجاد شده در یک لحظه از بین می رود و نوسان لیزری و درنهایت پالس قوی ایجاد خواهد شد.

در فرایند Q-Switch بین دو مقدار کم و زیاد ضریب کیفیت Q ، سوئیچ می کنیم. وقتی که Q کم باشد افزایش وارونگی جمعیت رخ می دهد و وقتی روی Q بالا سوئیچ شود پالس قوی خواهیم داشت و به این کار Q-Switch می گوییم.

شکل 2 : شبیه سازی قرارگیری عامل اتلافی در سیستم لیزری

هر چقدر زمان گسیل خود به خودی بیشتر باشد وارونگی جمعیت نهایی بیشتر می شود؛ به همین خاطر است که سوئیچ Q را معمولا روی ترازهایی که طول عمر بالایی دارند و شاید طول عمر بی نهایت داشته باشند یعنی گذارهای ممنوعه اجرا می کنند تا پالس های خیلی قوی تری به دست آید. این شرایط در اکثر لیزرهای حالت جامد قابل اجراست. همانطور که می دانید لیزرهای فایبر هم به واسطه یون های دوپ شده در آنها که اکثرا Yb می باشد در دسته لیزرهای حالت جامد قرار می گیرند و فرایند Q-Switch در آنها به راحتی قابل اجراست.

وقتی مانع را سریع برداریم و یک تک پالس ایجاد شود سوئیچ سریع انجام داده ایم. اما می توانیم بجای اینکه مانع را سریع برداریم آن را با آهنگ مناسبی کاهش دهیم. در این حالت بجای یک پالس قوی، تعدادی پالس ریز تولید می شود که به این فرایند سوئیچ آهسته می گوییم.

البته اینکه از لفظ گذاشتن یا برداشتن مانع استفاده می کنیم به این معنی نیست که واقعا وسیله ای را جلوی آینه قرار دهیم. در واقع منظورمان یک عامل اتلافی در کاواک است. یعنی اگر یک عامل اتلافی را در کاواک که مثلا در سورس های فایبر همان پیچه فایبر است وارد کنیم با کم و زیاد کردن آن می توانیم ضریب کیفیت کاواک ( Q ) را کم و زیاد کنیم و فرایند Q-Switch را انجام دهیم. اگر بتوانیم یک عامل اتلافی وابسته به زمان در داخل کاواک ایجاد کنیم در این صورت با کنترل آن می توانیم Q-Switch را کنترل کنیم.

در سوئیچ سریع این اتلاف بین حالت بدون اتلاف (اتلاف صفر و Q خیلی زیاد) و حالت با اتلاف (اتلاف بالا و Q صفر) با سرعت بالایی جابجا می شود و در سوئیچ کند هم تغییرات اتلاف از زیاد به کم به صورت آهسته رخ می دهد. پس با تغییرات سریع اتلاف می توان به سوئیچ سریع و تولید یک پالس لیزری شدید رسید و با تغییرات کند اتلاف می توانیم به سوئیچ کند و تولید چند پالس لیزری ریزتر برسیم.

برای انجام Q-Switch روش های مختلفی وجود دارد که می توانند ضریب کیفیت یک کاواک را بین یک Q پایین و Q بالا سوئیچ کنند. روش هایی مثل: شاترهای الکترواپتیکی، منشور چرخان، سوئیچ های آکوستواپتیکی، جاذب های اشباع و..

این روش ها در حالت کلی به 2 دسته تقسیم می شوند: سوئیچ فعال و غیرفعال که در ابتدای مقاله اشاره مختصری به آن کردیم. در کیوسوییچ فعال باید از یک عامل خارجی برای کنترل سوئیچ استفاده کنیم مثل تغییر ولتاژ اعمالی به شاتر الکترواپتیکی و..

شکل3: سوئیچینگ فعال ( Active Q-Switch )

شکل4: سوئیچینگ غیرفعال ( Passive Q-Switch )

در کیوسوییچ غیرفعال نیازی به استفاده از عامل خارجی برای کنترل سوئیچ نیست و خود سوئیچ به صورت خودکار این کار را انجام می دهد و سوئیچ های غیرفعال عمدتا براساس اپتیک غیرخطی طراحی می شوند که جاذب های اشباع یک نمونه از آن هستند. در شکل3 و شکل 4 نحوه انجام این دو روش نمایش داده شده است. فرایند کیوسوئیچ در لحظه صفر آغاز شده است، چگونگی افزایش بهره و اتلاف در این دو روش متفاوت خواهد بود که در بخش های بعدی بیشتر به آن خواهیم پرداخت.

گروه تحقیق و پژوهش شرکت اپتیک پرداز در مقالات بعدی خود به بررسی و توضیح روش های ایجاد فرایند Q-Switch خواهد پرداخت.

این مقاله در بخش تحقیق و پژوهش شرکت اپتیک پرداز گردآوری شده است و استفاده از آن با ذکرمنبع بلامانع است.