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Qスイッチングは、巨大パルス形成またはQスポイリングとも呼ばれ、[1]レーザーからパルス出力ビームを生成する技術です。この技術により、非常に高い (ギガワット) ピークパワーの光パルスを生成できます。これは、同じレーザーを連続波(一定出力) モードで動作させた場合に生成されるものよりもはるかに高いものです。レーザーによるパルス生成の別の技術であるモードロックと比較すると、Qスイッチングではパルス繰り返し率がはるかに低く、パルスエネルギーがはるかに高く、パルス持続時間がはるかに長くなります。この2つの技術は、併用されることもあります。
Qスイッチは1958年にゴードン・グールドによって初めて提案され、[2] 1961年か1962年にヒューズ研究所のRWヘルワースとFJマククラングによってルビーレーザーの電気的にスイッチングされるカーセルシャッターを使用して独立して発見され、実証されました。[3] Qスイッチなどの光学非線形性はニコラス・ブロンバーゲンによって完全に説明され、彼はこの研究により1981年にノーベル賞を受賞しました。 [4] [5] [6] [7]
Qスイッチの原理
Q スイッチは、レーザーの光共振器内に何らかの可変減衰器を配置することで実現されます。減衰器が機能しているとき、ゲイン媒体から出た光は戻らず、レーザー発振を開始できません。キャビティ内のこの減衰は、光共振器のQ 係数または品質係数の減少に相当します。Q 係数が高いと、往復あたりの共振器損失が低くなり、その逆も同様です。可変減衰器は、この目的で使用される場合、一般に「Q スイッチ」と呼ばれます。
最初にレーザー媒体がポンピングされ、Q スイッチはゲイン媒体への光のフィードバックを防ぐように設定されます (低 Q の光共振器が生成されます)。これにより反転分布が生成されますが、共振器からのフィードバックがないため、レーザー動作はまだ発生しません。誘導放出の速度は媒体に入る光の量に依存するため、媒体がポンピングされるにつれて、ゲイン媒体に蓄積されるエネルギーの量が増加します。自然放出およびその他のプロセスによる損失により、一定時間が経過すると、蓄積されたエネルギーはある最大レベルに達します。この媒体はゲインが飽和しているといわれます。この時点で、Q スイッチ デバイスは低 Q から高 Q にすばやく変更され、フィードバックと誘導放出による光増幅のプロセスが開始されます。ゲイン媒体に既に大量のエネルギーが蓄積されているため、レーザー共振器内の光の強度は非常に急速に増加します。これにより、媒体に蓄積されたエネルギーもほぼ同じ速さで枯渇します。最終的な結果は、レーザーから出力される短い光パルス（巨大パルスと呼ばれる）であり、ピーク強度が非常に高くなる場合があります。
Q スイッチングには主に 2 つのタイプがあります。
アクティブQスイッチング
ここで、Q スイッチは外部制御の可変減衰器です。これは、キャビティ内に配置されたシャッター、チョッパー ホイール、回転ミラー/プリズムなどの機械装置である場合もあれば、(より一般的には)音響光学装置、磁気光学効果装置、電気光学装置 (ポッケルス セルまたはカー セル)などの何らかの形の変調器である場合もあります。損失の低減 (Q の増加) は、外部イベント (通常は電気信号) によってトリガーされます。したがって、パルス繰り返し率は外部から制御できます。変調器は一般に、低 Q から高 Q への遷移を高速化し、より優れた制御を提供します。変調器のもう 1 つの利点は、除去された光をキャビティから結合して他の用途に使用できることです。あるいは、変調器が低 Q 状態にある場合、外部で生成されたビームを変調器を介してキャビティに結合することができます。これを使用して、必要な特性 (横モードや波長など)を持つビームをキャビティに「シード」することができます。 Q が上昇すると、最初のシードからレーザー発振が強化され、シードから継承された特性を持つ Q スイッチ パルスが生成されます。
パッシブQスイッチング
この場合、Q スイッチは飽和吸収体、つまり光の強度があるしきい値を超えると透過率が増加する材料です。材料としては、Nd:YAG レーザーの Q スイッチングに使用されるCr:YAGなどのイオンドープ結晶、漂白可能な染料、または受動半導体デバイスが考えられます。最初は吸収体の損失は高いですが、ゲイン媒体に大量のエネルギーが蓄積されると、ある程度のレーザー発振が可能な程度には低い損失になります。レーザー出力が増加すると、吸収体が飽和します。つまり、共振器の損失が急速に減少するため、出力をさらに速く増加できます。理想的には、これによって吸収体が低損失の状態になり、蓄積されたエネルギーをレーザーパルスによって効率的に抽出できるようになります。パルス後、ゲインが回復する前に吸収体が高損失状態に戻るため、次のパルスはゲイン媒体のエネルギーが完全に補充されるまで遅延されます。パルス繰り返し率は、レーザーのポンプ出力やキャビティ内の飽和吸収体の量を変えるなど、間接的にしか制御できません。繰り返し率を直接制御するには、パルス ポンプ ソースとパッシブ Q スイッチングを使用します。
バリエーション
Q をあまり下げずに、少量の光がキャビティ内を循環できるようにすることで、 ジッターを減らすことができます。これにより、次の Q スイッチ パルスの蓄積に役立つ光の「種」が提供されます。
キャビティ ダンピングでは、キャビティ エンド ミラーは 100% 反射性であるため、Q が高い場合は出力ビームは生成されません。代わりに、Q スイッチを使用して、時間遅延後にビームをキャビティから「ダンプ」します。キャビティ Q は、レーザーの蓄積を開始するために低から高に変わり、次に高から低に変わり、ビームをキャビティから一度に「ダンプ」します。これにより、通常の Q スイッチングよりも短い出力パルスが生成されます。この目的には通常、電気光学変調器が使用されます。これは、ビームをキャビティから結合するためのほぼ完璧なビーム「スイッチ」として簡単に機能させることができるためです。ビームをダンプする変調器は、キャビティを Q スイッチする変調器と同じか、または 2 番目の (おそらく同一の) 変調器です。ダンプされたキャビティは、単純な Q スイッチングよりも調整が複雑で、ビームをキャビティからダンプする最適なタイミングを選択するための 制御ループが必要になる場合があります。
再生増幅では、光増幅器が Q スイッチ キャビティ内に配置されます。別のレーザー (「マスター オシレーター」) からの光パルスは、Q を下げてパルスが入るのを許可し、次に Q を上げてパルスをキャビティ内に閉じ込め、ゲイン媒体を繰り返し通過させることで増幅できるようにすることで、キャビティに注入されます。その後、パルスは別の Q スイッチを介してキャビティから出ることができます。
典型的なパフォーマンス
共振器長が例えば 10 cm の典型的な Q スイッチ レーザー (Nd:YAG レーザーなど) は、数十ナノ秒の持続時間を持つ光パルスを生成できます。平均出力が 1 W をはるかに下回る場合でも、ピーク出力は数キロワットになることがあります。大規模なレーザー システムでは、数ジュールのエネルギーとギガワット領域のピーク出力を持つ Q スイッチ パルスを生成できます。一方、受動 Q スイッチ マイクロチップ レーザー (非常に短い共振器を使用) は、1 ナノ秒をはるかに下回る持続時間と数百ヘルツから数メガヘルツ (MHz) のパルス繰り返し率を持つパルスを生成しています。
アプリケーション
Qスイッチレーザーは、金属切断やパルスホログラフィーなど、ナノ秒パルスで高いレーザー強度を必要とする用途でよく使用されます。非線形光学では、これらのレーザーのピークパワーの高さを利用することが多く、 3D光データストレージや3Dマイクロファブリケーションなどの用途に使用されています。ただし、Qスイッチレーザーは、パルスがターゲットに到達して反射光が送信元に戻るまでの時間を測定することで、距離測定（レンジファインディング）などの測定目的にも使用できます。また、温度ジャンプ緩和研究などの化学動力学研究にも使用できます。[8]
| 外部オーディオ | |
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 「インクの再考」、蒸留ポッドキャストエピソード220、科学史研究所 |
Qスイッチレーザーは、インクの色素を粒子に砕いて体内のリンパ系で除去することで、タトゥーの除去にも使用されます。完全に除去するには、インクの量と色に応じて6回から20回の治療が必要で、少なくとも1か月の間隔をあけ、異なる色のインクには異なる波長を使用します。 [9] Nd：YAGレーザーは、ピークパワーが高く、繰り返し率が高く、比較的低コストであるため、現在最も好まれているレーザーです。2013年には、臨床研究に基づいてピコ秒レーザーが導入され、緑や水色などの除去が難しい色をよりよく除去するようです。[引用が必要] Qスイッチレーザーは、黒ずみの除去やその他の皮膚の色素沈着の問題を解決するためにも使用できます。[引用が必要]
参照
参考文献
- ^ Früngel, Frank BA (2014). 光パルス - レーザー - 測定技術。Academic Press。p. 192。ISBN 9781483274317. 2015年2月1日閲覧。
- ^ テイラー、ニック (2000)。レーザー：発明家、ノーベル賞受賞者、そして30年に及ぶ特許戦争。ニューヨーク：サイモン＆シュスター。ISBN 0-684-83515-0。93ページ。
- ^ McClung, FJ; Hellwarth, RW (1962). 「ルビーからの巨大な光脈動」.応用物理学ジャーナル. 33 (3): 828–829. Bibcode :1962JAP....33..828M. doi :10.1063/1.1777174.
- ^ レーザー発明家。シュプリンガー伝記。2018年。doi : 10.1007/978-3-319-61940-8。ISBN 978-3-319-61939-2。
- ^ Bloembergen, Nicolaas (2011). 「非線形光学の誕生」.非線形光学: NWA2. doi :10.1364/nlo.2011.nwa2. ISBN 978-1-55752-915-2。
- ^ DeMaria, AJ; Stetser, DA; Glenn, WH (1967-06-23). 「超短光パルス」. 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). 「ピコ秒光パルスの圧縮」. 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). 「ヨクトリットル容量での温度彫刻」. Journal of the American Chemical Society . 135 (8): 3087–3094. doi :10.1021/ja309892e. ISSN 0002-7863. PMC 3892765. PMID 23347384 .
- ^ クレット、ジョセフ（2018年）。「セカンドチャンス」。蒸留。4（1）。科学歴史研究所：12-23 。 2018年6月27日閲覧。