Impulsowy laser

Działanie impulsowe laserów oznacza każdy laser, który nie jest sklasyfikowany jako fala ciągła , w związku z czym moc optyczna pojawia się w postaci impulsów o pewnym czasie trwania i określonej częstotliwości powtarzania . Obejmuje to szeroką gamę technologii ukierunkowanych na wiele różnych motywacji. Niektóre lasery działają impulsowo, ponieważ nie mogą pracować w trybie ciągłym.

W innych przypadkach aplikacja wymaga wytwarzania impulsów o możliwie dużej energii. Ponieważ energia impulsu jest równa średniej mocy podzielonej przez częstotliwość powtarzania, cel ten można czasami osiągnąć poprzez obniżenie częstotliwości impulsów, tak aby można było zgromadzić więcej energii pomiędzy impulsami. Na przykład w przypadku ablacji laserowej niewielka ilość materiału na powierzchni przedmiotu obrabianego może odparować, jeśli zostanie podgrzana w bardzo krótkim czasie, podczas gdy stopniowe dostarczanie energii umożliwiłoby wchłonięcie ciepła przez większą część przedmiotu , nigdy nie osiągając wystarczająco wysokiej temperatury w określonym punkcie.

Inne zastosowania opierają się na szczytowej mocy impulsu (a nie na energii zawartej w impulsie), szczególnie w celu uzyskania nieliniowych efektów optycznych. Dla danej energii impulsu wymaga to wytworzenia impulsów o możliwie najkrótszym czasie trwania z wykorzystaniem technik takich jak przełączanie Q.

Szerokość pasma optycznego impulsu nie może być węższa niż odwrotność szerokości impulsu. W przypadku wyjątkowo krótkich impulsów oznacza to działanie lasera na znacznym paśmie, w przeciwieństwie do bardzo wąskich pasm typowych dla laserów o fali ciągłej (CW). Medium laserowe w niektórych laserach barwnikowych i wibracyjnych laserach na ciele stałym wytwarza wzmocnienie optyczne w szerokim paśmie, dzięki czemu możliwe jest powstanie lasera, który może w ten sposób generować impulsy światła trwające zaledwie kilka femtosekund .

Q-przełączanie

W laserze z przełączaniem Q inwersja obsadzeń może narastać poprzez wprowadzenie strat wewnątrz rezonatora, które przekraczają wzmocnienie ośrodka; można to również opisać jako zmniejszenie współczynnika jakości lub „Q” wnęki. Następnie, gdy energia pompy zmagazynowana w ośrodku laserowym osiągnie maksymalny możliwy poziom, wprowadzony mechanizm strat (często element elektro- lub akustooptyczny) zostaje szybko usunięty (lub który występuje sam w urządzeniu pasywnym), umożliwiając laserowanie rozpocząć, który szybko pozyskuje energię zmagazynowaną w ośrodku wzmacniającym. Powoduje to krótki impuls zawierający tę energię, a tym samym wysoką moc szczytową.

Blokowanie trybu

Laser z synchronizacją modów jest w stanie emitować niezwykle krótkie impulsy rzędu kilkudziesięciu pikosekund do mniej niż 10 femtosekund . Impulsy te będą się powtarzać w czasie podróży w obie strony, to znaczy w czasie, w jakim światło potrzebuje jednej podróży w obie strony pomiędzy zwierciadłami tworzącymi rezonator. Ze względu na granicę Fouriera (znaną również jako niepewność energii i czasu ) impuls o tak krótkiej długości czasowej ma widmo rozproszone w znacznym paśmie. Zatem taki środek wzmocnienia musi mieć pasmo wzmocnienia wystarczająco szerokie, aby wzmocnić te częstotliwości. Przykładem odpowiedniego materiału jest sztucznie hodowany szafir domieszkowany tytanem ( Ti:szafir ), który ma bardzo szerokie pasmo wzmocnienia i dzięki temu może wytwarzać impulsy trwające zaledwie kilka femtosekund.

Takie lasery z synchronizacją modów są najbardziej wszechstronnym narzędziem do badania procesów zachodzących w niezwykle krótkich skalach czasowych (znanych jako fizyka femtosekundowa, chemia femtosekundowa i nauka o ultraszybkich metodach ), w celu maksymalizacji efektu nieliniowości w materiałach optycznych (np. w generacji drugiej harmonicznej , parametrycznej konwersja w dół , optyczne oscylatory parametryczne i tym podobne) ze względu na dużą moc szczytową oraz w zastosowaniach ablacyjnych. ^{[ potrzebne źródło ]} Ponownie, ze względu na wyjątkowo krótki czas trwania impulsu, taki laser będzie wytwarzał impulsy, które osiągają niezwykle wysoką moc szczytową.

Pompowanie pulsacyjne

Inną metodą osiągnięcia działania lasera impulsowego jest pompowanie materiału laserowego za pomocą źródła, które samo pulsuje, albo poprzez ładowanie elektroniczne w przypadku lamp błyskowych, albo przez inny laser, który już pulsuje. Pompowanie impulsowe było w przeszłości stosowane w laserach barwnikowych, gdzie czas życia cząsteczki barwnika z odwróconą populacją był tak krótki, że potrzebna była szybka pompa o dużej energii. Sposobem na przezwyciężenie tego problemu było ładowanie dużych kondensatorów , które następnie są przełączane na rozładowywanie za pomocą lamp błyskowych , wytwarzając intensywny błysk. Pompowanie impulsowe jest również wymagane w przypadku laserów trójpoziomowych, w których niższy poziom energii szybko zostaje zapełniony, co zapobiega dalszemu laserowaniu, dopóki atomy nie zrelaksują się do stanu podstawowego. Lasery te, takie jak laser ekscymerowy i laser na parach miedzi, nie mogą nigdy pracować w trybie CW.

Aplikacje

Impulsowe lasery Nd:YAG i Er:YAG są wykorzystywane między innymi w laserowym usuwaniu tatuaży i dalmierzach laserowych .

Lasery impulsowe wykorzystuje się także w chirurgii tkanek miękkich . Kiedy wiązka lasera wchodzi w kontakt z tkanką miękką, jednym z ważnych czynników jest zapobieganie przegrzaniu otaczającej tkanki, aby zapobiec martwicy . Impulsy lasera muszą być rozmieszczone w odstępach, aby umożliwić efektywne chłodzenie tkanki (czas relaksacji termicznej) pomiędzy impulsami.

Zobacz też

Bibliografia

Siegman, Anthony E. (1986). Lasery , uniwersyteckie książki naukowe. ISBN 0-935702-11-3
Svelto, Orazio (1998). Zasady działania laserów , wyd. 4. (tłum. David Hanna), Springer. ISBN 0-306-45748-2