Импульсный лазер - Pulsed laser

Импульсная работа лазеров относится к любому лазер не классифицируется как непрерывная волна, так что оптическая мощность проявляется в импульсах некоторой длительности частота повторения.^[1] Это включает в себя широкий спектр технологий, направленных на разные мотивы. Некоторые лазеры импульсные просто потому, что они не могут работать в непрерывный режим.

В других случаях приложение требует создания импульсов с максимально возможной энергией. Поскольку пульс энергия равна средней мощности, деленной на частоту повторения, эта цель иногда может быть достигнута путем снижения частоты импульсов, чтобы можно было накопить больше энергии между импульсами. В лазерная абляция например, небольшой объем материала на поверхности заготовки может испариться, если его нагреть за очень короткое время, тогда как постепенная подача энергии позволит теплу поглощаться в объеме заготовки, никогда не достигая достаточно высокая температура в определенной точке.

Другие приложения полагаются на пиковую мощность импульса (а не энергию в импульсе), особенно для того, чтобы получить нелинейно-оптический последствия. Для заданной энергии импульса это требует создания импульсов минимально возможной длительности с использованием таких методов, как Q-переключение.

Оптический пропускная способность из пульс не может быть меньше, чем величина, обратная ширине импульса. В случае очень коротких импульсов это означает генерацию в значительной полосе частот, в отличие от очень узких полос, характерных для непрерывная волна (CW) лазеры. Лазерная среда в некоторых лазеры на красителях и вибронные твердотельные лазеры обеспечивает оптическое усиление в широкой полосе частот, что делает возможным лазер, который может генерировать световые импульсы длиной всего несколько фемтосекунды.

Q-переключение

В лазере с модуляцией добротности инверсия населенности может нарастать за счет внесения потерь внутри резонатора, которые превышают усиление среды; это также можно описать как снижение добротности или «добротности» резонатора. Затем, после того, как энергия накачки, запасенная в лазерной среде, приближается к максимально возможному уровню, внесенный механизм потерь (часто электро- или акустооптический элемент) быстро удаляется (или который возникает сам по себе в пассивном устройстве), позволяя генерацию чтобы быстро получить накопленную энергию в усиливающей среде. В результате получается короткий импульс, включающий эту энергию, и, следовательно, высокую пиковую мощность.

Режим синхронизации

Лазер с синхронизацией мод способен излучать чрезвычайно короткие импульсы порядка десятков пикосекунды до менее 10 фемтосекунды. Эти импульсы будут повторяться в течение времени прохождения туда и обратно, то есть времени, которое требуется свету для прохождения одного кругового обхода между зеркалами, составляющими резонатор. Из-за Предел Фурье (также известный как энергия-время неуверенность ) импульс такой короткой временной длины имеет спектр, растянутый на значительную ширину полосы. Таким образом, такой получить средний должен иметь достаточно широкую полосу усиления для усиления этих частот. Пример подходящего материала: титан -допированный, искусственно выращенный сапфир (Ti: сапфир ), который имеет очень широкую полосу усиления и, таким образом, может генерировать импульсы длительностью всего несколько фемтосекунд.

Такие лазеры с синхронизацией мод являются наиболее универсальным инструментом для исследования процессов, происходящих в чрезвычайно коротких временных масштабах (известных как фемтосекундная физика, фемтосекундная химия и сверхбыстрая наука ), для максимального эффекта нелинейность в оптических материалах (например, в генерация второй гармоники, параметрическое преобразование с понижением частоты, оптические параметрические генераторы и т.п.) из-за большой пиковой мощности и при абляции.^{[нужна цитата ]} Опять же, из-за чрезвычайно малой длительности импульса такой лазер будет производить импульсы с чрезвычайно высокой пиковой мощностью.

Импульсная накачка

Другой способ достижения работы импульсного лазера заключается в накачке лазерного материала источником, который сам является импульсным, либо посредством электронной зарядки в случае импульсных ламп, либо с помощью другого лазера, который уже является импульсным. Импульсная накачка исторически использовалась с лазерами на красителях, где время жизни инвертированной заселенности молекулы красителя было настолько коротким, что требовалась высокая энергия и быстрая накачка. Чтобы решить эту проблему, нужно было увеличить конденсаторы которые затем переключаются на разряд через фонари, производя интенсивную вспышку. Импульсная накачка также требуется для трехуровневых лазеров, в которых нижний энергетический уровень быстро становится густонаселенным, предотвращая дальнейшую генерацию до тех пор, пока эти атомы не релаксируют в основное состояние. Эти лазеры, такие как эксимерный лазер и лазер на парах меди, никогда не могут работать в непрерывном режиме.

Приложения

Импульсный Nd: YAG и Er: YAG лазеры используются в лазере удаление татуировки и лазерные дальномеры среди других приложений.

Импульсные лазеры также используются в мягких тканей хирургия. Когда лазерный луч входит в контакт с мягкими тканями, одним из важных факторов является недопущение перегрева окружающих тканей, поэтому некроз можно предотвратить.^[2] Лазерные импульсы должны быть разнесены, чтобы обеспечить эффективное охлаждение ткани (время тепловой релаксации) между импульсами.^[2]

Смотрите также

Библиография

Сигман, Энтони Э. (1986). Лазеры, Университетские научные книги. ISBN 0-935702-11-3
Свелто, Орацио (1998). Принципы лазеров, 4-е изд. (пер. Дэвид Ханна), Springer. ISBN 0-306-45748-2