نظریه  Q-Switching    

يكي از روشهايي كه بطور گسترده در عمليات ليزري براي ايجاد تپ توان بالا به كار مي‌رود کلیدزنی Q است. اين اسم بر اين اساس انتخاب شده است که در هنگام کلیدزنی Q ضریب کیفیت (Q) نوري كاواك تشديدي، بطور ناگهاني تغيير مي‌كند. ضريب كيفيت Q، به صورت نسبت انرژي ذخيره شده در كاواك به انرژي تلف شده در هر چرخه تعريف مي‌شود و از اين رو ضريب كيفيت بالا تلفات كمتري را ايجاب مي‌كند.در روش کلیدزنی Q ، در حالي كه Qي كاواك براي جلوگيري از گسيل ليزري كم شده است، انرژي در محيط تقويت توسط دمش نوري ذخيره می‌شود. هر چند انرژي ذخيره شده و بهره محيط فعال بالا هستند، تلفات كاواك نيز بالا است، لذا از عمل ليز جلوگيري شده و واروني جمعيت به سطحي خيلي بالاتر از سطح آستانه براي عمل ليز عادي مي‌رسد. مدت زماني كه در آن انرژي ممكن است ذخيره شود از مرتبه ي τf، طول عمر بالاترين سطح گذار ليزر است. هنگامي كه Q ی كاواك بالا، باز گردانده مي‌شود، انرژي ذخيره شده به صورت ناگهاني به شكل يك تپ نوري خيلي كوتاه آزاد مي‌شود. بدليل بهره زياد ايجاد شده توسط انرژي ذخيره شده در مادة فعال، بر انگيزش اضافي در يك زمان خيلي كوتاه تخليه مي‌شود. توان قلة تپ حاصل از لحاظ بزرگي چندين مرتبه بيشتر از تپهاي بلند عادي است كه بدست مي‌آيند.

شكل  ترتيب زماني نوعي توليد يك تپ کلیدزنی Q شده است. عمل ليز در كاواك توسط يك Q ی کم غير فعال مي‌شود، با پيشروي به سمت انتهاي تپ لامپ درخشی، هنگامي وارونی جمعيت به مقدار قله خود رسيد، Q ي تشديدگر به يك مقدار بالا سوئيچ مي‌شود. در اين لحظه يك شار فوتوني در كاواك شروع به افزايش مي‌كند، و يك تپ کلیدزنی Q ساطع می‌شود. همانطور كه از شکل5-1 روشن است گسيل تپ ليزر کلیدزنی Q شده بعد از تأخير محسوسي رخ مي‌دهد. درطول اين مدت چگالي تابش به صورت نمایی از نوفه شروع به افزايش مي‌كند.

گسترش يك تپ ليزر Qسوئيچ شده ( نمودارها، خروجي لامپ درخشی، تلفات تشديدگر، واروني جمعيت و شار فوتون به عنوان توابعي از زمان هستند)

    کلیدزن های Q ابزار مكانيكی   

کلیدزن های Q ‌ مکانیکی به طور پايه اي توسط چرخش، نوسان، يا حركت انتقالي قطعات اپتيكي طراحي مي‌شو ند. وجه مشترک این روش‌ها در اینست كه از عمل ليزر در طول دوره دمش جلوگيري مي‌كنند، این کار با بستن مسير نور، غير هم رديف كردن آينه، يا كاهش بازتاب يكي از آينه‌هاي تشديدگر و...انجام میشود. نزديك انتهاي تپ لامپ درخشی، هنگامي كه بيشينة انرژي در ميلة ليزر ذخيره شده است شرایط Q ي بالا ايجاد مي‌شود و يك تپ Q سوئيچ از ليزر گسيل مي‌شود. اولین Q سوئیچ مكانيكي چيزي بيشتر از يك ديسك چرخان داراي يك شكاف نبود. اين روش به زودي با ورود آينه‌ها يا منشور‌هاي چرخان كه امكان رسيدن به زمانهاي سوئيچينگ خيلي سریعتر را می‌دادند رها شد.

براي تغيير Q كاواك انتقال كامل يك آينه مورد استفاده قرار مي‌گيرد. يك روش عبارت است از عوض كردن آينة خروجي نوسانگر ليزر با يك تشديدگر دو صفحه اي فابري پرو. با مدوله كردن فاصلة بين دو صفحه، براي مثال با مبدل پيزوالكتريك، اين وسيله مي‌تواند از عبور دهند ة قله به بازتاب كنند ة قله تبديل شود. روش ديگر، استفاده از خنثي سازي تمامي بازتابهاي داخلي است. در اين مورد، يك مبدل پيزوالكتريك فاصلة بين منشور پشتي و منشور دوم را عوض مي‌كند. اگر فاصلة دو منشور طوري باشد كه دو پرتوي بازتاب شده از سطح خارجي و داخلي منشور پشتي غير همفاز باشد، بازتاب داخلي كل صفر خواهد شد. در نتيجه تشعشع موجود در منشور پشتي به جاي بازتاب عبور خواهد كرد. روش بازتاب كنند ة چرخان براي توليد تپهاي کلیدزنی Q شده كه در شكل نشان داده شده، به طور ساده شامل چرخيدن يكي از بازتاب كننده‌هاي كاواك تشديدي است كه موازي بودن بازتاب كننده‌ها را فقط در يك لحظة كوتاه از زمان ايجاد مي‌كند. اگر يك آينة تخت به عنوان عنصر چرخنده كار گذاشته شود، محور چرخش بايد در اندازة كسري از راديان موازي با سطح آينة مقابل باشد.

اين مشكل مي‌تواند با استفاده از منشور پشتي به عنوان عنصر چرخان برطرف شود. اگر سقف منشور عمود بر محور چرخش باشد طبيعت باز ا نعكاسي منشور، هم راستايي در يك سمت را تضمين مي‌كند. آزمايش‌ها نشان داده اند كه دقت زاويه اي3 º براي تضمين عملكرد بهينه كافي است. همزمان كردن لامپ درخشی با موقعيت آينه معمولاً با استفاده از يك بازوي مغناطيسي كه موقعيت محور را حس كرده و يك سيگنال الكتريكي براي تريگر كردن لامپ درخشی در زمان مقتضي توليد مي‌كند، بدست مي‌آيد. تأخير زماني طوري تنظيم مي‌شود كه در لحظه اي كه و اروني جمعيت بيشينه است بازتابندة چرخان موازي با آينة ثابت مي‌شود. براي مثال براي يك منشور چرخان با 24,000 دور در دقيقه اگر تأخير 800 ميكروثانيه خواسته شده باشد، لامپ درخشی بايد 115 º قبل از همسويي نوري تريگر شود. براي يك تشديدگر ليزر نوعي، با طول 30 يا 40 سانتيمتر سرعت چرخشي در حدود 20,000 rpm لازم است تا تضمين كند كه خروجي ليزر شامل فقط يك تپ تنهاست. آزمايشات نشان داده اند كه عمل ليز در ليزرهاي معمول براي ناهمراستايي آينه در حدود mrad 1، متوقف مي‌شود.

اين زاويه در ارتباط با سرعت چرخشي كه در بالا ذكر شد، زمان سوئيچينگ 400ns را نتيجه مي‌دهد. در ليزرهاي Nd:YAG با دمش پيوسته براي Q سوئیچينگ مكانيكي، منشورهاي چرخان چند وجهي به جاي منشورهاي ساده يا آينه‌ها استفاده مي‌شوند تا نرخهاي تكرار بيشتري را بدست دهند. ابزارهاي آينة چرخان ساده و ارزان هستند. آنها به قطبيدگي و بنابر اين به اثرات د و شكستي غير حساسند. بنابراين انرژي بيشتري نسبت به Q سوئیچ الكترواپتيكي تحت شرايط يكسان، مي‌تواند از ليزر خارج شود. با اين همه کلیدزنی Q ‌هاي مكانيكي به علت تمايلشان به توليد تپهاي چندگانه مورد پسند نيستند. همچنين اين ابزار بسيار نوفه اي هستند، و به دليل طول عمر نسبتاً كوتاه بلبرينگ‌ها نياز به نگهداري مداوم دارند. به دليل اين معايب Q سوئیچ‌هاي منشور چرخان جاي خود را در ليزر‌های Nd:YAG دمش پيوسته به کلیدزنی Q ‌هاي آكوستواپيكي دادند.

منشور‌هاي چرخان در کلیدزنی Q لیزر Er:glass و ليزرهاي حالت جامد IR درناحیه 1.5μm تا 3μm جاذب هستند. ليزر Er:glassبا دمش لامپ درخشی با طول موج خروجي 1.45μm اهميت ويژه اي براي كار بردهاي فاصله يابي چشم ايمن، قابل حمل، و فشرده دارد. اخير اً کلیدزنی Q ‌هاي غیر فعال براي اين رژيم طول موج گسترش يافته اند. Qسوئيچ‌هاي dye پلاستيكي كه معمولاً در ليزرهاي Nd:YAG استفاده مي‌شوند در طول موج 1.45μm قابل استفاده نيستند.

    Q سوئيچ‌های الكترواپتيكی    

شاترهاي اپتيكي خيلي سريع كه بطور الكترونيكي كنترل مي‌شوند مي‌توانند با استفاده از اثرات الكترواپتيكي در كريستالها يا مايعات طراحي شوند. عنصر كليدي در اين قبيل شاترها اين است كه اين عنصر الكترواپتيكي در اثر ميدان خارجي دوشكستي مي‌شود. اثر دوشكستي در يك محيط توسط دو جهت متعامد مشخص مي‌شود و اينها محورهاي ((تند )) و ((کند )) ناميده مي‌شوند كه داراي ضرايب شكست متفاوت هستند. يك پرتو ي نوري با قطبش تخت كه در ابتدا با زاويه 45º نسبت به اين محورها و در جهت عمود بر صفحه كريستال تابيده مي‌شود، به دو مولفة متعامد تقسيم خواهد شد كه در مسير يكسان ولي با سرعتهاي متفاوت سير خواهند كرد.

پس اثر الكترواپتيكي باعث بوجود آمدن اختلات فاز مابين دو پرتو خواهد شد. بعد از طي محيط، دو مولفه باهم تركيب خواهد شد كه بر حسب ولتاژ اعمالي، يك پرتو با قطبش بيضوي، دايروي يا خطي خواهد بود. براي عملكرد کلیدزنی Q فقط دو ولتاژ خاص كه موجب تأخير چارك موج و نيم موج مي‌شوند مهم است. در مورد اول نور قطبيد ة خطي برخوردي بعد از عبور از سلول قطبيدة دايروي است و در مورد دوم پرتوي خروجي قطبيدة خطي است، هر چند كه صفحه قطبش 90º چرخش داشته است. در شکل لیزرهای Q سوئیچ شده با این دو روش مشاهده می‌شود.

دو نوع از اثرات الكترواپتيكي درسوئيچ‌هاي ليزري مورد استفاده قرار گرفته اند :

اثر پاكلز كه در كريستالهايي كه فاقد مركز تقارون نقطه اي هستند رخ مي‌دهد و اثر كر كه در مايعات بخصوصي رخ مي‌دهد. سلولهاي پاكلزي كه 5 تا 10 برابر ولتاژ كمتري نسبت به سلولهاي كر نياز دارند به صورت گسترده اي در ادوات فعال براي ليزرهاي تپي کلیدزنی Q استفاده مي‌شوند.

کلیدزن های Q ‌ الكترواپتيكي به دو دسته تقسيم مي‌شوند : سلولهايي كه در آنها ميدان در راستاي پرتوي نوري اعمال مي‌شود و سلولهايي كه در آنها ميدان الكتريكي عمود بر راستاي پرتوي نوري اعمال مي‌شود.

شکل‏ : عملکرد لیزر باQ سوئيچ‌ الكترواپتيكي در حالت (a) چهارک موجی (b) نیم موج

    پديده‌های پيش لیز و پس لیز در Q سوئيچ‌های الكترواپتيكی    

به صورت تئوري هنگامي كه سلول پاكلز در ولتاژ 4λ/ یا 2λ/ كار مي‌كند، تلفات بي نهايتي در داخل كاواك بوجود مي‌آورد. در عمل غيريكنواختي ميدان، غيرهمگن بودن كريستال، پديده دو شكستي ايجاد شده به وسيله بستهاي مكانيكي كريستال، و غيرايده آل بودن قطبنده‌ها، نسبت خاموشی کلیدزن Q الكترواپتيكي را به حدود صد محدود مي‌كنند. نسبت خاموشي به صورت نسبت بيشينه به كمينة شدت عبوري از بين قطبنده‌ها به هنگام اعمال ولتاژ و تغيير آن تا ولتاژ نيم موج است. اگر بهرة ليزر از تلفات آن كه ناشي از کلیدزنی Q است بيشتر شود عمل ليزر طبيعي قبل از زمان Q سوئیچ رخ خواهد داد. اين پديده ((پيش لیز)) نامیده مي‌شود، بدين دليل است كه تركيب سلول پاكلز و قطبنده همانند يك شاتر ايده آل عمل نمي‌كند، بنابراين همچنان مقداري فيدبك از آينه تشدیدگر داريم. پيش لیز به احتمال زيادي قبل از زمان کلیدزنی Q رخ مي‌دهد. چون واروني جمعيت، انرژي ذخيره شده، و بهره در آن لحظه خيلي بزرگند.

بدليل بهره بالاي Nd:YAG كاهش انرژي ذخيره شده توسط پيش لیز مشكل اساسي اين ماده است. آزمايشها هم نشان داده اند كه پيش لیز ممكن است عامل اصلي آسيب ديدن كريستال سلول پاكلز يا قطبنده باشد. پيش لیز، اگر اتفاق بيفتد، اجازه مي‌دهد يك تپ از يك تپ بذر در يك ناحية كوچكي از ميلة ليزر تشكيل شود. در ناحيه اي از ميلة ليزر كه پيش ليزرينگ اتفاق مي‌افتد، تپ Q سوئيچ شده در مقايسه با حالت سكون تپ كه مجبور است از گسيل خود به خودي شروع به گسترش كند، خيلي سريعتر گسترش مي‌يابد. در نتيجه چگالي تواني با پيك خيلي بزرگ دراين بخش از ميله رخ مي‌دهد.

بايد طراحي مقتضي و پيش گيرانه اي را داشته باشيم تا تضمين كند كه پيش لیز رخ نمي‌دهد. اولين شرط اصلي اين است كه کلیدزن Q در نرخ خاموشي بهينة خود كار كند. برقراري اين شرط نياز به اين دارد كه يك ولتاژ باياس درست اعمال شود و كريستال سلول پاكلز و قطبنده‌ها كاملاً هم رديف باشند.

نوعاً محور C نوري كريستال سلول پاكلز بايد تا 10 دقيقه كما ني يا كمتر همراستا با پرتوي ليزر باشد. هم رديف شدن محور C به صورت خوبي توسط شكل محور نوري (الگوي عبوري مالتز) روي محور نوري تشديدگر اجرا شده است. اينكار با روشن كردن كريستال توسط يك منبع نوري پخشي و مشاهدة كريستال مابين قطبنده‌هاي عمود برهم انجام مي‌شود. يك الگوي عرضي كه با يك سري دايره‌هايي احاطه شده، نمايان مي‌شود. خط واصل بين مركز صليب و نقطه اي كه مشاهده از آنجا صورت مي‌گيرد دقيقاً موازي محور C است. علاوه بر اين براي ايجاد شرايط درست برای کلیدزنیQ ، كريستال بايد در جهت محور a یا b هم موازي با جهت قطبش ليزر بايد باشد.

تپ کلیدزنی Q شدة اصلي امكان دارد كه توسط يك يا چند تپ با دامنه‌هاي كمتر دنبال شود ) پس لیز ) تپ دوم ممكن است چند صد نانو ثانيه يا چند ده ميكروثانيه بعد از تپ اصلي رخ دهد. پس لیز از اثر پيزواپتيك در كريستال الكترواپتيك ناشي مي‌شود. فعل و انفعالات پيزوالكتريكي ولتاژ اعمال شده، به كريستال فشار مي‌آورد و هنگامي كه ولتاژ برداشته مي‌شود، كريستال براي مدتي در همان حال فشرده باقي مي‌ماند. اين فشردگي توليد يك تأخيري براي موج نوري بوسيلة اثر دو شكستي كششي مي‌كند، بنابراين تلفات را در كاواك تا زماني كه فشردگي پايان پذيرد كم مي‌كند. شكل 5-6 شكل موج ولتاژي كه به طور عادي به سلول پاكلز اعمال مي‌شود را نشان مي‌دهد و شكل 5-6 ب،تلفات را بر حسب زمان براي يك سوئيچ سلول پاكلز واقعي نشان مي‌دهد.

شکل‏5 6 : اثر پيزواپتيك در LiNbO3

مشخص شده كه تلفات ابتدا به حدود 25% تنزل مي‌كند و سپس در زمان تقريباً 400 نانو ثانيه به صفر مي‌رسد. اگر اين تنزل تلفات طولاني تر از زمان تشكيل تپ خروجي باشد، تپ ليزر اصلي قبل از اينكه تلفات به مقدار كمينه اش برسد گسيل خواهد شد. لذا مقداري انرژي بعد از اولين تپ خروجي در راد باقي خواهد ماند. انرژي باقي مانده امكان دارد زماني كه تلفات كاواك به مقدار كمينه اش مي‌رسد تپ دوم را توليد كند. با بوجود آمدن اين تلفات وابسته به زمان اثر الاستواپتيك یک تأثير جدي روي بازدهي ليزر کلیدزنی Q شده خواهد گذاشت.

در سطوح پايين انرژي ورودي، تأخير زماني زيادي بين زمان سوئیچينگ و زماني كه تپ خروجي واقعاً ديده مي‌شود وجود دارد كه در شكل5-6 ج مشخص شده و بنابراين تلفات قابل اغماضي در بازدهي وجود خواهد داشت. هرچند در سطوح بالاي انرژي ورودي تأخير زماني Td كوتاهتر مي‌شود و لذا ليزر تلفات خروجي قابل ملاحظه اي را متحمل خواهد شد كه در شكل آمده است.
اين مسئله چند ماه در اجرا پروژه مشكل ايجاد كرد كه با ايجاد ولتاژ منفي بر روي كريستال کلیدزن Q ، مشكل حل شد.

   مثال هايی از ليزرهاي کلیدزنی Q شده با سلول پاكلز   

انرژي‌هاي خروجي بين 100 تا 250 ميلي ژول از نوسانگرهاي Nd:YAG بدست آمده اند. انرژي گرفته شده توسط بهر ة بالاي اين ماده محدود شده است، و موجب پيش لیز و متعاقباً كاهش واروني جمعيت مي‌شود.

از روی نمودارهاي تجربي، بهترين زمان تأخير براي سوئیچ كريستال هنگامي است كه جريان لامپ درخشی به %50 مقدار قلة خود ( بعد از قله) رسيده باشد.در توان ميانگين بالا يا نرخ تكرار بالا به دليل وجود پديدة دوشكستي ناشي از حرارت، تلفات واقطبيدگي مهم مي‌شود. در ليزرهاي توان بالا براي حل مشكل دوشكستي حرارتي، از دو سلول پاكلز و يك قطبش گردان مابين آنها استفاده مي‌شود.

    کلیدزن Q سلول كر       

در سلول كر هم با اعمال ولتاژ مي‌توانيم دوشكستي كنترل شده اي داشته باشيم. دو شكستي با مربع ولتاژ ورودي به كر متناسب است.

که B ثابت كر بوده و مربوط به سلول است. و l طول ناحيه اي است كه ميدان روي سلول قرار مي‌گيرد. ولتاژ لازم براي سلول كر خيلي زياد است و مشكلات نشت و غيره را دارد، براي همين كمتر استفاده مي‌شود. ماده خيلي مهمي كه در Q سوئیچهاي الكترواپتيكي براي ليزرهاي Nd:YAG استفاده مي‌شود LiNbo3 است.