La conmutación Q , a veces conocida como formación de pulso gigante o destrucción de Q , [1] es una técnica mediante la cual se puede hacer que un láser produzca un haz de salida pulsado. La técnica permite la producción de pulsos de luz con una potencia máxima extremadamente alta ( gigavatios ) , mucho mayor que la que produciría el mismo láser si estuviera funcionando en modo de onda continua (salida constante). En comparación con el modelocking , otra técnica para la generación de pulsos con láser, el cambio Q conduce a tasas de repetición de pulsos mucho más bajas, energías de pulso mucho más altas y duraciones de pulso mucho más largas. En ocasiones, las dos técnicas se aplican juntas.
El cambio Q fue propuesto por primera vez en 1958 por Gordon Gould , [2] y descubierto y demostrado de forma independiente en 1961 o 1962 por RW Hellwarth y FJ McClung en Hughes Research Laboratories utilizando obturadores de células Kerr conmutados eléctricamente en un láser de rubí . [3] Las no linealidades ópticas, como la conmutación Q, fueron explicadas completamente por Nicolaas Bloembergen , quien ganó el premio Nobel en 1981 por este trabajo. [4] [5] [6] [7]
El cambio Q se logra colocando algún tipo de atenuador variable dentro del resonador óptico del láser . Cuando el atenuador está funcionando, la luz que sale del medio de ganancia no regresa y la emisión láser no puede comenzar. Esta atenuación en el interior de la cavidad corresponde a una disminución del factor Q o factor de calidad del resonador óptico . Un factor Q alto corresponde a pérdidas bajas del resonador por viaje de ida y vuelta, y viceversa. El atenuador variable se denomina comúnmente "Q-switch" cuando se utiliza para este propósito.
Inicialmente, el medio láser se bombea mientras el interruptor Q está configurado para evitar la retroalimentación de la luz en el medio de ganancia (produciendo un resonador óptico con Q bajo). Esto produce una inversión de población , pero el funcionamiento del láser aún no puede ocurrir porque no hay retroalimentación del resonador. Dado que la tasa de emisión estimulada depende de la cantidad de luz que ingresa al medio, la cantidad de energía almacenada en el medio de ganancia aumenta a medida que se bombea el medio. Debido a las pérdidas por emisiones espontáneas y otros procesos, después de cierto tiempo la energía almacenada alcanzará un nivel máximo; Se dice que el medio está saturado de ganancia . En este punto, el dispositivo Q-switch cambia rápidamente de Q bajo a Q alto, lo que permite que comience la retroalimentación y el proceso de amplificación óptica mediante emisión estimulada. Debido a la gran cantidad de energía ya almacenada en el medio de ganancia, la intensidad de la luz en el resonador láser aumenta muy rápidamente; esto también hace que la energía almacenada en el medio se agote casi con la misma rapidez. El resultado neto es un breve pulso de luz emitido por el láser, conocido como pulso gigante , que puede tener una intensidad máxima muy alta.
Hay dos tipos principales de conmutación Q:
En este caso, el Q-switch es un atenuador variable controlado externamente. Puede ser un dispositivo mecánico como un obturador, una rueda picadora o un espejo/prisma giratorio colocado dentro de la cavidad, o (más comúnmente) puede ser algún tipo de modulador como un dispositivo acústico-óptico , un dispositivo de efecto magneto-óptico. o un dispositivo electroóptico : una celda de Pockels o una celda de Kerr . La reducción de las pérdidas (aumento de Q) se desencadena por un evento externo, típicamente una señal eléctrica. Por tanto, la frecuencia de repetición del pulso se puede controlar externamente. Los moduladores generalmente permiten una transición más rápida de Q baja a alta y proporcionan un mejor control. Una ventaja adicional de los moduladores es que la luz rechazada se puede extraer de la cavidad y utilizarse para otra cosa. Alternativamente, cuando el modulador está en su estado de Q bajo, se puede acoplar un haz generado externamente a la cavidad a través del modulador. Esto se puede utilizar para "sembrar" la cavidad con un haz que tenga las características deseadas (como el modo transversal o la longitud de onda). Cuando se eleva la Q, el láser se acumula a partir de la semilla inicial, produciendo un pulso de Q conmutado que tiene características heredadas de la semilla.
En este caso, el Q-switch es un absorbente saturable , un material cuya transmisión aumenta cuando la intensidad de la luz supera algún umbral. El material puede ser un cristal dopado con iones como Cr:YAG , que se utiliza para la conmutación Q de láseres Nd:YAG , un tinte blanqueable o un dispositivo semiconductor pasivo . Inicialmente, la pérdida del absorbente es alta, pero todavía lo suficientemente baja como para permitir algo de láser una vez que se almacena una gran cantidad de energía en el medio de ganancia. A medida que aumenta la potencia del láser, satura el absorbente, es decir, reduce rápidamente la pérdida del resonador, de modo que la potencia puede aumentar aún más rápido. Idealmente, esto lleva el absorbente a un estado con bajas pérdidas para permitir una extracción eficiente de la energía almacenada por el pulso láser. Después del pulso, el absorbente recupera su estado de alta pérdida antes de que se recupere la ganancia, de modo que el siguiente pulso se retrasa hasta que la energía en el medio de ganancia se repone por completo. La frecuencia de repetición del pulso sólo puede controlarse indirectamente, por ejemplo variando la potencia de bombeo del láser y la cantidad de absorbente saturable en la cavidad. Se puede lograr un control directo de la tasa de repetición mediante el uso de una fuente de bomba pulsada y de conmutación Q pasiva.
La fluctuación se puede reducir no reduciendo tanto el Q, de modo que una pequeña cantidad de luz aún pueda circular en la cavidad. Esto proporciona una "semilla" de luz que puede ayudar en la formación del siguiente pulso Q-switched.
Con el vaciado de la cavidad , los espejos del extremo de la cavidad son 100% reflectantes, de modo que no se produce ningún haz de salida cuando la Q es alta. En cambio, el interruptor Q se utiliza para "descargar" el haz fuera de la cavidad después de un retraso de tiempo. La cavidad Q va de menor a mayor para iniciar la acumulación del láser, y luego va de mayor a menor para "deshacerse" del haz de la cavidad de una vez. Esto produce un pulso de salida más corto que el cambio Q normal. Normalmente se utilizan moduladores electroópticos para esto, ya que se puede hacer que funcionen fácilmente como un "interruptor" de haz casi perfecto para acoplar el haz fuera de la cavidad. El modulador que descarga el haz puede ser el mismo modulador que cambia Q la cavidad, o un segundo modulador (posiblemente idéntico). Una cavidad descargada es más complicada de alinear que un simple cambio Q y puede necesitar un bucle de control para elegir el mejor momento para descargar el haz de la cavidad.
En la amplificación regenerativa, se coloca un amplificador óptico dentro de una cavidad con conmutación Q. Se inyectan pulsos de luz de otro láser (el "oscilador maestro") en la cavidad disminuyendo el Q para permitir que el pulso entre y luego aumentando el Q para confinar el pulso a la cavidad donde puede amplificarse mediante pases repetidos a través del ganar medio. Luego se permite que el pulso salga de la cavidad mediante otro interruptor Q.
Un láser de conmutación Q típico (por ejemplo, un láser Nd:YAG) con una longitud de resonador de, por ejemplo, 10 cm puede producir pulsos de luz de varias decenas de nanosegundos de duración. Incluso cuando la potencia media está muy por debajo de 1 W, la potencia máxima puede ser de muchos kilovatios. Los sistemas láser a gran escala pueden producir pulsos de conmutación Q con energías de muchos julios y potencias máximas en la región de los gigavatios. Por otro lado, los láseres de microchip con conmutación Q pasiva (con resonadores muy cortos) han generado pulsos con duraciones muy inferiores a un nanosegundo y tasas de repetición de pulsos que van desde cientos de hercios hasta varios megahercios (MHz).
Los láseres de conmutación Q se utilizan a menudo en aplicaciones que exigen altas intensidades de láser en pulsos de nanosegundos, como el corte de metales o la holografía pulsada . La óptica no lineal a menudo aprovecha las altas potencias máximas de estos láseres, ofreciendo aplicaciones como el almacenamiento de datos ópticos 3D y la microfabricación 3D . Sin embargo, los láseres con conmutación Q también se pueden utilizar con fines de medición, como para mediciones de distancia ( búsqueda de rango ), midiendo el tiempo que tarda el pulso en llegar a un objetivo y la luz reflejada en regresar al emisor. También se puede utilizar en estudios químicos dinámicos, por ejemplo, estudios de relajación con saltos de temperatura . [8]
Los láseres Q-switched también se utilizan para eliminar tatuajes rompiendo los pigmentos de la tinta en partículas que el sistema linfático del cuerpo elimina . La eliminación completa puede requerir entre seis y veinte tratamientos dependiendo de la cantidad y el color de la tinta, con un intervalo de al menos un mes, utilizando diferentes longitudes de onda para tintas de diferentes colores. [9] Los láseres Nd:YAG son actualmente los láseres más favorecidos debido a sus altas potencias máximas, altas tasas de repetición y costos relativamente bajos. En 2013, se introdujo un láser de picosegundos basado en una investigación clínica que parece mostrar una mejor eliminación con colores difíciles de eliminar, como el verde y el azul claro. [ cita necesaria ] Los láseres Q-switched también se pueden utilizar para eliminar manchas oscuras y solucionar otros problemas de pigmentación de la piel. [ cita necesaria ]