La conmutación Q , a veces conocida como formación de pulsos gigantes o Q-spoiling , [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 pico extremadamente alta ( gigavatios ) , mucho mayor que la que produciría el mismo láser si funcionara en un modo de onda continua (salida constante). En comparación con el modo de bloqueo , otra técnica para la generación de pulsos con láseres, la conmutación Q conduce a tasas de repetición de pulsos mucho más bajas, energías de pulso mucho más altas y duraciones de pulso mucho más largas. Las dos técnicas a veces se aplican juntas.
El Q-switching fue propuesto por primera vez en 1958 por Gordon Gould [ 2] y descubierto y demostrado independientemente en 1961 o 1962 por RW Hellwarth y FJ McClung en Hughes Research Laboratories usando obturadores de celda Kerr conmutados eléctricamente en un láser rubí [3] . Las no linealidades ópticas como el Q-switching fueron explicadas completamente por Nicolaas Bloembergen , quien ganó el premio Nobel en 1981 por este trabajo [4] [5] [6] [7]
La conmutación 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 el láser no puede comenzar. Esta atenuación dentro de la cavidad corresponde a una disminución del factor Q o factor de calidad del resonador óptico . Un factor Q alto corresponde a bajas pérdidas del resonador por ida y vuelta, y viceversa. El atenuador variable se denomina comúnmente "conmutador Q" cuando se utiliza para este propósito.
Inicialmente, el medio láser se bombea mientras el interruptor Q está configurado para evitar la retroalimentación de 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 ya que 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 de la emisión espontánea y otros procesos, después de un 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 por 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 pulso corto de salida de luz del láser, conocido como pulso gigante , que puede tener una intensidad de pico muy alta.
Hay dos tipos principales de Q-switching:
Aquí, el Q-switch es un atenuador variable controlado externamente. Puede ser un dispositivo mecánico como un obturador, una rueda de corte o un espejo/prisma giratorio colocado dentro de la cavidad, o (más comúnmente) puede ser alguna forma de modulador como un dispositivo acústico-óptico , un dispositivo de efecto magneto-óptico o un dispositivo electro-óptico – una celda de Pockels o una celda de Kerr . La reducción de pérdidas (aumento de Q) es provocada por un evento externo, típicamente una señal eléctrica. La tasa de repetición de pulsos puede por lo tanto ser controlada externamente. Los moduladores generalmente permiten una transición más rápida de Q bajo a alto, y proporcionan un mejor control. Una ventaja adicional de los moduladores es que la luz rechazada puede ser acoplada fuera de la cavidad y puede ser utilizada para otra cosa. Alternativamente, cuando el modulador está en su estado de Q bajo, un haz generado externamente puede ser acoplado dentro de la cavidad a través del modulador. Esto puede ser utilizado para "sembrar" la cavidad con un haz que tenga las características deseadas (como modo transversal o longitud de onda). Cuando se eleva el Q, se genera láser a partir de la semilla inicial, lo que produce un pulso conmutado por Q 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 un cierto 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 aún 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 al absorbente a un estado con bajas pérdidas para permitir la extracción eficiente de la energía almacenada por el pulso láser. Después del pulso, el absorbente se recupera a 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 de pulsos solo se puede controlar indirectamente, por ejemplo, variando la potencia de bombeo del láser y la cantidad de absorbente saturable en la cavidad. El control directo de la frecuencia de repetición se puede lograr utilizando una fuente de bombeo de pulsos, así como también un Q-switching pasivo.
La vibración se puede reducir si no se reduce tanto el Q, de modo que una pequeña cantidad de luz pueda seguir circulando en la cavidad. Esto proporciona una "semilla" de luz que puede ayudar a la formación del siguiente pulso conmutado por Q.
Con el volcado de cavidad , los espejos del extremo de la cavidad son 100% reflectantes, de modo que no se produce ningún haz de salida cuando el Q es alto. En su lugar, se utiliza el Q-switch para "volcar" el haz fuera de la cavidad después de un retraso de tiempo. El Q de la cavidad pasa de bajo a alto para iniciar la acumulación del láser, y luego pasa de alto a bajo para "volcar" el haz fuera de la cavidad de una sola vez. Esto produce un pulso de salida más corto que el Q-switching normal. Los moduladores electroópticos se utilizan normalmente para esto, ya que se pueden hacer funcionar fácilmente como un "interruptor" de haz casi perfecto para acoplar el haz fuera de la cavidad. El modulador que vuelca el haz puede ser el mismo modulador que cambia la cavidad por Q, o un segundo modulador (posiblemente idéntico). Una cavidad volcada es más complicada de alinear que un simple Q-switching, y puede necesitar un bucle de control para elegir el mejor momento para volcar el haz fuera de la cavidad.
En la amplificación regenerativa, se coloca un amplificador óptico dentro de una cavidad con interruptor Q. Se inyectan pulsos de luz de otro láser (el "oscilador maestro") en la cavidad bajando el Q para permitir que el pulso entre y luego aumentando el Q para confinar el pulso a la cavidad donde se puede amplificar mediante pases repetidos a través del medio de ganancia. Luego se permite que el pulso salga de la cavidad a través de otro interruptor Q.
Un láser Q-switched 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 pico puede ser de muchos kilovatios. Los sistemas láser a gran escala pueden producir pulsos Q-switched con energías de muchos julios y potencias pico en la región de los gigavatios. Por otro lado, los láseres de microchip Q-switched pasivos (con resonadores muy cortos) han generado pulsos con duraciones muy inferiores a un nanosegundo y tasas de repetición de pulsos de cientos de hercios a varios megahercios (MHz).
Los láseres Q-switched se utilizan a menudo en aplicaciones que exigen altas intensidades láser en pulsos de nanosegundos, como el corte de metales o la holografía pulsada . La óptica no lineal a menudo aprovecha las altas potencias de pico de estos láseres, ofreciendo aplicaciones como el almacenamiento de datos ópticos 3D y la microfabricación 3D . Sin embargo, los láseres Q-switched también se pueden utilizar para fines de medición, como para mediciones de distancia ( telémetro ) midiendo el tiempo que tarda el pulso en llegar a un objetivo y la luz reflejada en regresar al transmisor. También se puede utilizar en estudios de dinámica química, por ejemplo, estudios de relajación de salto de temperatura . [8]
Los láseres Q-switched también se utilizan para eliminar tatuajes al desintegrar los pigmentos de la tinta en partículas que son eliminadas por el sistema linfático del cuerpo . La eliminación completa puede requerir entre seis y veinte tratamientos, dependiendo de la cantidad y el color de la tinta, espaciados al menos con un mes de diferencia, 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 de pico, altas tasas de repetición y costos relativamente bajos. En 2013 se introdujo un láser de picosegundos basado en investigaciones clínicas que parece mostrar una mejor eliminación con colores difíciles de eliminar, como el verde y el azul claro. [ cita requerida ] Los láseres Q-switched también se pueden utilizar para eliminar manchas oscuras y solucionar otros problemas de pigmentación de la piel. [ cita requerida ]