בקרת רוחב הפולס של טכנולוגיית בקרת פולסים בלייזר

בקרת רוחב הפולס שלבקרת דופק לייזרטֶכנוֹלוֹגִיָה

בקרת הפולסים של הלייזר היא אחת החוליות המרכזיות בטכנולוגיית לייזר, אשר משפיע ישירות על הביצועים והאפקט היישום של הלייזר. מאמר זה ימיין באופן שיטתי את בקרת רוחב הפולס, בקרת תדר הפולס וטכנולוגיית המודולציה הקשורה, וישאף להיות מקצועי, מקיף והגיוני.

1. מושג רוחב הפולס

רוחב הפולס של הלייזר מתייחס למשך הפולס של הלייזר, שהוא פרמטר מפתח לתיאור מאפייני הזמן של פלט הלייזר. עבור לייזרי פולסים קצרים במיוחד (כגון לייזרי ננו-שנייה, פיקו-שנייה ופמטו-שנייה), ככל שרוחב הפולס קצר יותר, כך עוצמת השיא גבוהה יותר, והאפקט התרמי קטן יותר, דבר המתאים לעיבוד שבבי מדויק או למחקר מדעי.

2. גורמים המשפיעים על רוחב פולס הלייזר רוחב פולס הלייזר מושפע ממגוון גורמים, בעיקר מההיבטים הבאים:

א. מאפייני מדיום ההגבר. לסוגים שונים של מדיום הגברה יש מבנה רמת אנרגיה ייחודי ומשך חיים פלואורסצנטי, אשר משפיעים ישירות על יצירת ורוחב הפולס של פולס הלייזר. לדוגמה, לייזרים במצב מוצק, גבישי Nd:YAG וגבישי Ti:Sapphire הם מדיום לייזר במצב מוצק נפוצים. לייזרים גז, כגון לייזרים של פחמן דו-חמצני (CO₂) ולייזרים של הליום-ניאון (HeNe), מייצרים בדרך כלל פולסים ארוכים יחסית בשל המבנה המולקולרי שלהם ותכונות המצב המעורר; לייזרים של מוליכים למחצה, על ידי שליטה בזמן רקומבינציה של נושאי מטען, יכולים להשיג רוחב פולסים הנעים בין ננו-שניות לפיקו-שניות.

לתכנון חלל הלייזר יש השפעה משמעותית על רוחב הפולס, כולל: אורך החלל, אורך חלל הלייזר קובע את הזמן הנדרש לאור לנוע שוב ושוב בחלל, חלל ארוך יותר יוביל לרוחב פולס ארוך יותר, בעוד שחלל קצר יותר תורם ליצירת פולסים קצרים במיוחד; החזרה: מחזיר אור בעל החזרה גבוהה יכול להגדיל את צפיפות הפוטונים בחלל, ובכך לשפר את אפקט ההגבר, אך החזרה גבוהה מדי עלולה להגביר את ההפסד בחלל ולהשפיע על יציבות רוחב הפולס; מיקום תווך ההגבר ומיקום תווך ההגבר בחלל ישפיעו גם על זמן האינטראקציה בין הפוטון למדיום ההגבר, ולאחר מכן ישפיעו על רוחב הפולס.

ג. טכנולוגיית מיתוג Q וטכנולוגיית נעילת מצבים הן שני אמצעים חשובים למימוש פלט לייזר פולסים וויסות רוחב פולס.

ד. מקור משאבה ומצב משאבה ליציבות הכוח של מקור המשאבה ולבחירת מצב המשאבה יש גם השפעה חשובה על רוחב הפולס.

3. שיטות בקרת רוחב פולס נפוצות

א. שינוי מצב העבודה של הלייזר: מצב העבודה של הלייזר ישפיע ישירות על רוחב הפולס שלו. ניתן לשלוט ברוחב הפולס על ידי כוונון הפרמטרים הבאים: התדירות והעוצמה של מקור המשאבה, קלט האנרגיה של מקור המשאבה ומידת היפוך אוכלוסיית החלקיקים במדיום ההגבר; רפלקטיביות של עדשת הפלט משנה את יעילות המשוב במהוד, ובכך משפיעה על תהליך יצירת הפולס.

ב. בקרת צורת הפולס: כוונון עקיף של רוחב הפולס על ידי שינוי צורת פולס הלייזר.

ג. אפנון זרם: על ידי שינוי זרם המוצא של ספק הכוח כדי לווסת את פיזור רמות האנרגיה האלקטרונית בתווך הלייזר, ולאחר מכן שינוי רוחב הפולס. לשיטה זו מהירות תגובה מהירה והיא מתאימה לתרחישי יישומים הדורשים התאמה מהירה.

ד. אפנון מתג: על ידי שליטה במצב המיתוג של הלייזר כדי להתאים את רוחב הפולס.

ה. בקרת טמפרטורה: שינויי טמפרטורה ישפיעו על מבנה רמת אנרגיית האלקטרונים של הלייזר, ובכך ישפיעו בעקיפין על רוחב הפולס.

ו. שימוש בטכנולוגיית אפנון: טכנולוגיית אפנון היא אמצעי יעיל לשליטה מדויקת ברוחב הפולס.

אפנון לייזרטכנולוגיה היא טכנולוגיה המשתמשת בלייזר כנושא ומטעינה עליו מידע. על פי הקשר עם הלייזר, ניתן לחלק אותה למודולציה פנימית ואפנון חיצונית. מודולציה פנימית מתייחסת למצב המודולציה שבו האות המווסת נטען בתהליך תנודת הלייזר כדי לשנות את פרמטרי תנודת הלייזר ובכך לשנות את מאפייני פלט הלייזר. מודולציה חיצונית מתייחסת למצב המודולציה שבו אות המודולציה נוסף לאחר יצירת הלייזר, ומאפייני פלט הלייזר משתנים מבלי לשנות את פרמטרי התנודה של הלייזר.

ניתן לסווג את טכנולוגיית המודולציה גם לפי צורות אפנון נושאי מטען, כולל אפנון אנלוגי, אפנון דופק, אפנון דיגיטלי (אפנון קוד דופק); לפי פרמטרי המודולציה, היא מחולקת לאפנון עוצמה ואפנון פאזה.

מווסת עוצמהרוחב הפולס נשלט על ידי התאמת שינוי עוצמת אור הלייזר.

אפנן פאזהרוחב הפולס מותאם על ידי שינוי הפאזה של גל האור.

מגבר נעול פאזה: באמצעות אפנון מגבר נעול פאזה, ניתן לכוונן במדויק את רוחב פולס הלייזר.