בקרת תדר דופק של טכנולוגיית בקרת דופק לייזר

בקרת תדר הדופק שלטכנולוגיית בקרת דופק לייזר

1. המושג תדר פולסים, קצב פולסי לייזר (Pulse Repetition Rate) מתייחס למספר פולסי הלייזר הנפלטים ליחידת זמן, בדרך כלל בהרץ (Hz). פולסים בתדר גבוה מתאימים ליישומים בעלי קצב חזרות גבוה, בעוד שפולסים בתדר נמוך מתאימים למשימות פולס בודד בעלות אנרגיה גבוהה.

2. הקשר בין הספק, רוחב פולס ותדירות לפני בקרת תדר הלייזר, יש להסביר תחילה את הקשר בין הספק, רוחב פולס ותדירות. קיימת אינטראקציה מורכבת בין הספק הלייזר, התדירות ורוחב הפולס, וכיוונון אחד הפרמטרים דורש בדרך כלל התחשבות בשני הפרמטרים האחרים כדי לייעל את אפקט היישום.

3. שיטות בקרת תדר דופק נפוצות

א. מצב בקרה חיצוני טוען את אות התדר מחוץ לספק הכוח, ומתאים את תדר פולס הלייזר על ידי שליטה בתדר ובמחזור העבודה של אות הטעינה. זה מאפשר לסנכרן את פולס הפלט עם אות העומס, מה שהופך אותו מתאים ליישומים הדורשים בקרה מדויקת.

ב. מצב בקרה פנימי אות בקרת התדר מובנה בספק הכוח של המנוע, ללא קלט אות חיצוני נוסף. משתמשים יכולים לבחור בין תדר מובנה קבוע או תדר בקרה פנימי מתכוונן לגמישות רבה יותר.

ג. כוונון אורך המהוד אומודולטור אלקטרו-אופטיניתן לשנות את מאפייני התדר של הלייזר על ידי התאמת אורך המהוד או שימוש במודולטור אלקטרו-אופטי. שיטה זו של ויסות תדר גבוה משמשת לעתים קרובות ביישומים הדורשים הספק ממוצע גבוה יותר ורוחבי פולסים קצרים יותר, כגון מיקרו-עיבוד שבבי בלייזר והדמיה רפואית.

d. מודולטור אופטי אקוסטו(AOM Modulator) הוא כלי חשוב לבקרת תדר פולסים של טכנולוגיית בקרת פולסים בלייזר.מודולטור AOMמשתמש באפקט אקוסטו-אופטי (כלומר, לחץ התנודה המכני של גל הקול משנה את מקדם השבירה) כדי לווסת ולשלוט בקרן הלייזר.

4. טכנולוגיית אפנון תוך-חללי, בהשוואה לאפנון חיצוני, אפנון תוך-חללי יכול לייצר אנרגיה גבוהה ביעילות רבה יותר, הספק שיא.לייזר דופקלהלן ארבע טכניקות נפוצות של אפנון תוך-חללי:

א. החלפת הגבר (Green switching) על ידי אפנון מהיר של מקור המשאבה, היפוך מספר החלקיקים של מדיום ההגבר ומקדם ההגבר נקבעים במהירות, ועולים על קצב הקרינה המגורה, וכתוצאה מכך גדלים הפוטונים בחלל האור ויוצרים לייזר בעל פולסים קצרים. שיטה זו נפוצה במיוחד בלייזרי מוליכים למחצה, שיכולים לייצר פולסים מננו-שניות ועד עשרות פיקו-שניות, עם קצב חזרות של כמה ג'יגה-הרץ, ונמצאת בשימוש נרחב בתחום התקשורת האופטית עם קצבי העברת נתונים גבוהים.

מתג Q (Q-switching) מתגי Q מדכאים משוב אופטי על ידי הכנסת הפסדים גבוהים לחלל הלייזר, מה שמאפשר לתהליך השאיבה לייצר היפוך אוכלוסיית חלקיקים הרבה מעבר לסף, ולאגור כמות גדולה של אנרגיה. לאחר מכן, ההפסד בחלל מצטמצם במהירות (כלומר, ערך ה-Q של החלל עולה), והמשוב האופטי מופעל שוב, כך שהאנרגיה המאוחסנת משתחררת בצורה של פולסים קצרים במיוחד בעוצמה גבוהה.

ג. נעילת מצבים מייצרת פולסים קצרים במיוחד ברמת פיקו-שנייה או אפילו פמטו-שנייה על ידי שליטה ביחסי הפאזה בין מצבים אורכיים שונים בחלל הלייזר. טכנולוגיית נעילת המצבים מחולקת לנעילת מצבים פסיבית ונעילת מצבים אקטיבית.

ד. ריקון חלל (Cavity Dumping) על ידי אגירת אנרגיה בפוטונים במהוד, שימוש במראה חלל בעלת הפסדים נמוכים כדי לקשור ביעילות את הפוטונים, תוך שמירה על מצב הפסדים נמוכים בחלל למשך זמן מסוים. לאחר מחזור נסיעה אחד הלוך ושוב, הפולס החזק "נפלט" אל מחוץ לחלל על ידי החלפה מהירה של רכיב החלל הפנימי, כגון מודולטור אקוסטו-אופטי או תריס אלקטרו-אופטי, ונפלט לייזר פולס קצר. בהשוואה למיתוג Q, ריקון חלל יכול לשמור על רוחב פולס של מספר ננו-שניות בקצבי חזרות גבוהים (כגון מספר מגה-הרץ) ולאפשר אנרגיות פולס גבוהות יותר, במיוחד עבור יישומים הדורשים קצבי חזרות גבוהים ופולסים קצרים. בשילוב עם טכניקות אחרות ליצירת פולסים, ניתן לשפר עוד יותר את אנרגיית הפולס.

בקרת דופק שללייזרזהו תהליך מורכב וחשוב, הכולל בקרת רוחב פולס, בקרת תדר פולס וטכניקות אפנון רבות. באמצעות בחירה ויישום סבירים של שיטות אלו, ניתן להתאים במדויק את ביצועי הלייזר כדי לענות על הצרכים של תרחישי יישום שונים. בעתיד, עם הופעתם המתמשכת של חומרים וטכנולוגיות חדשות, טכנולוגיית בקרת הפולס של לייזרים תביא לפריצות דרך נוספות ותקדם את הפיתוח שלטכנולוגיית לייזרבכיוון של דיוק גבוה יותר ויישום רחב יותר.