Q 스위칭

Q 스위칭(Q-switching), 거대 펄스 형성(giant pulse formation) 또는 Q 스포일링(Q-spoiling)은 레이저가 펄스 출력 빔을 생성하도록 하는 기술이다. 이 기술은 동일한 레이저가 연속파 (일정한 출력) 모드로 작동할 때보다 훨씬 높은 (기가와트) 피크 전력을 가진 광 펄스를 생성할 수 있게 한다. 레이저를 이용한 펄스 생성의 또 다른 기술인 모드 동기와 비교할 때, Q 스위칭은 훨씬 낮은 펄스 반복률, 훨씬 높은 펄스 에너지 및 훨씬 긴 펄스 지속 시간을 초래한다. 두 기술은 때때로 함께 적용된다.

Q 스위칭은 1958년 고든 굴드에 의해 처음 제안되었으며, 1961년 또는 1962년에 R.W. 헬워스(Hellwarth)와 F.J. 맥클렁(McClung)이 휴즈 연구소에서 전기적으로 스위칭되는 커 셀 셔터를 루비 레이저에 사용하여 독자적으로 발견하고 시연했다. Q 스위칭과 같은 광학 비선형성은 이 연구로 1981년에 노벨상을 수상한 니콜라스 블룸베르헌에 의해 완전히 설명되었다.

Q 스위칭의 원리
Q 스위칭은 레이저의 광공진기 내부에 일종의 가변 감쇠기를 배치함으로써 달성된다. 감쇠기가 작동할 때, 이득 매질을 떠나는 빛은 돌아오지 않아 레이저 발진이 시작될 수 없다. 공동 내부의 이 감쇠는 광공진기의 Q 인자 또는 품질 인자 감소에 해당한다. 높은 Q 인자는 왕복당 낮은 공진기 손실에 해당하며 그 반대도 마찬가지이다. 이 목적으로 사용될 때 가변 감쇠기는 일반적으로 "Q 스위치"라고 불린다.

처음에 레이저 매질은 Q 스위치가 빛의 피드백을 이득 매질로 막도록 설정된 상태에서 펌핑된다(낮은 Q를 가진 광 공진기를 생성). 이것은 인구 반전을 생성하지만, 공진기에서 피드백이 없기 때문에 레이저 작동은 아직 발생할 수 없다. 자극 방출 속도는 매질로 들어오는 빛의 양에 따라 달라지므로, 매질이 펌핑됨에 따라 이득 매질에 저장된 에너지의 양이 증가한다. 자연방출 및 다른 과정으로 인한 손실 때문에, 일정 시간 후 저장된 에너지는 특정 최대 수준에 도달하며; 매질은 이득 포화 상태에 있다고 말한다. 이 시점에서 Q 스위치 장치는 빠르게 낮은 Q에서 높은 Q로 변경되어 피드백과 자극 방출에 의한 광 증폭 과정이 시작되도록 한다. 이득 매질에 이미 많은 양의 에너지가 저장되어 있기 때문에, 레이저 공진기 내의 빛의 세기는 매우 빠르게 증가한다; 이것은 또한 매질에 저장된 에너지가 거의 같은 속도로 고갈되도록 한다. 그 결과는 레이저에서 나오는 짧은 빛 펄스인 거대 펄스로, 매우 높은 피크 세기를 가질 수 있다.

주요 Q 스위칭 유형은 두 가지가 있다:

능동 Q 스위칭
여기서 Q 스위치는 외부에서 제어되는 가변 감쇠기이다. 이는 셔터, 헬리컬 휠 또는 회전 거울/프리즘과 같은 기계 장치일 수 있으며 공동 내부에 배치되거나 (더 일반적으로) 음향-광학 장치, 자기-광학 장치 또는 전기-광학 장치 포켈스 셀 또는 커 셀과 같은 일종의 변조기일 수 있다. 손실 감소(Q 증가)는 외부 이벤트, 일반적으로 전기 신호에 의해 트리거된다. 따라서 펄스 반복률은 외부에서 제어할 수 있다. 변조기는 일반적으로 낮은 Q에서 높은 Q로 더 빠른 전환을 허용하며 더 나은 제어를 제공한다. 변조기의 추가적인 장점은 거부된 빛이 공동 밖으로 결합될 수 있고 다른 용도로 사용될 수 있다는 것이다. 또는 변조기가 낮은 Q 상태에 있을 때, 외부에서 생성된 빔이 변조기를 통해 공동으로 결합될 수 있다. 이는 원하는 특성(예: 횡 모드 또는 파장)을 가진 빔으로 공동에 "시드"를 제공하는 데 사용될 수 있다. Q가 상승하면 초기 시드에서 레이저 발진이 발생하여 시드로부터 특성을 상속받은 Q 스위치 펄스를 생성한다.

수동 Q 스위칭
이 경우, Q 스위치는 포화 흡수체로, 빛의 세기가 특정 임계값을 초과할 때 투과율이 증가하는 물질이다. 이 물질은 Nd:YAG 레이저의 Q 스위칭에 사용되는 Cr:YAG와 같은 이온 도핑 결정, 표백성 염료 또는 수동형 반도체 장치일 수 있다. 처음에는 흡수체의 손실이 높지만, 이득 매질에 많은 양의 에너지가 저장되면 일부 레이저 발진이 가능할 만큼 충분히 낮다. 레이저 전력이 증가함에 따라 흡수체가 포화되어 공진기 손실을 빠르게 줄여 전력이 훨씬 더 빠르게 증가할 수 있다. 이상적으로, 이것은 흡수체를 낮은 손실 상태로 만들어 레이저 펄스에 의해 저장된 에너지를 효율적으로 추출할 수 있게 한다. 펄스 후, 흡수체는 이득이 회복되기 전에 높은 손실 상태로 회복되므로, 다음 펄스는 이득 매질의 에너지가 완전히 보충될 때까지 지연된다. 펄스 반복률은 레이저의 펌프 전력과 공동 내 포화 흡수체의 양을 변화시키는 방식으로만 간접적으로 제어할 수 있다. 펄스형 펌프 소스와 수동형 Q 스위칭을 함께 사용하면 반복률을 직접 제어할 수 있다.

변형
섬네일|right|재생 증폭기. 빨간색 선: 레이저 빔. 빨간색 상자: 이득 매질. 위: AOM 기반 설계. 아래: 포켈스 셀 기반 설계에는 박막 편광판이 필요하다.
방출된 펄스의 방향은 타이밍에 따라 달라진다.

지터는 Q를 그만큼 많이 줄이지 않음으로써 줄일 수 있으며, 따라서 소량의 빛이 여전히 공동 내에서 순환할 수 있다. 이것은 다음 Q 스위치 펄스 생성을 돕는 "시드" 빛을 제공한다.

공동 덤핑의 경우, 공동 끝 거울은 100% 반사율을 가지므로 Q가 높을 때 출력 빔이 생성되지 않는다. 대신, Q 스위치는 시간 지연 후 빔을 공동 밖으로 "덤프"하는 데 사용된다. 공동 Q는 레이저 생성을 시작하기 위해 낮음에서 높음으로 가고, 그런 다음 빔을 공동에서 한 번에 "덤프"하기 위해 높음에서 낮음으로 간다. 이것은 일반 Q 스위칭보다 짧은 출력 펄스를 생성한다. 전기-광학 변조기는 빔을 공동 밖으로 결합하기 위한 거의 완벽한 빔 "스위치"로 쉽게 기능하도록 만들 수 있기 때문에 일반적으로 이에 사용된다. 빔을 덤프하는 변조기는 공동을 Q 스위치하는 동일한 변조기일 수도 있고, 두 번째 (가능하면 동일한) 변조기일 수도 있다. 덤프된 공동은 단순 Q 스위칭보다 정렬하기가 더 복잡하며, 빔을 공동에서 덤프할 최적의 시간을 선택하기 위한 제어 루프가 필요할 수 있다.

재생 증폭에서는 광 증폭기가 Q 스위치 공동 내부에 배치된다. 다른 레이저("마스터 발진기")에서 나오는 빛 펄스는 펄스가 들어오도록 Q를 낮춘 다음 펄스를 공동에 가두어 이득 매질을 반복적으로 통과하면서 증폭될 수 있도록 Q를 증가시켜 공동으로 주입된다. 그런 다음 펄스는 다른 Q 스위치를 통해 공동을 떠나도록 허용된다.

일반적인 성능
예를 들어 10cm의 공진기 길이를 가진 일반적인 Q 스위치 레이저(예: 네오디뮴 야그 레이저)는 수십 나노초 지속 시간의 빛 펄스를 생성할 수 있다. 평균 전력이 1W보다 훨씬 낮더라도 피크 전력은 수십 킬로와트일 수 있다. 대규모 레이저 시스템은 수십 줄의 에너지와 기가와트 영역의 피크 전력을 가진 Q 스위치 펄스를 생성할 수 있다. 반면에 수동 Q 스위치 마이크로칩 레이저(매우 짧은 공진기 포함)는 1나노초 미만의 지속 시간과 수백 헤르츠에서 수 메가헤르츠(MHz)까지의 펄스 반복률을 가진 펄스를 생성했다.

응용 분야
Q 스위치 레이저는 금속 절단 또는 펄스 홀로그래피와 같이 나노초 펄스에서 높은 레이저 강도를 요구하는 응용 분야에서 자주 사용된다. 비선형 광학은 종종 이러한 레이저의 높은 피크 전력을 활용하여 3D 광학 데이터 저장 및 3D 미세 제조와 같은 응용 분야를 제공한다. 그러나 Q 스위치 레이저는 펄스가 특정 목표물에 도달하고 반사된 빛이 발신자에게 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하여 거리 측정(거리 측정)과 같은 측정 목적으로도 사용될 수 있다. 또한 화학 동역학 연구, 예를 들어 온도 점프 완화 연구에도 사용될 수 있다.

Q 스위치 레이저는 또한 잉크 안료를 몸의 림프계에 의해 제거되는 입자로 분쇄하여 문신을 제거하는 데 사용된다. 완전히 제거하려면 잉크의 양과 색상에 따라 6회에서 20회 사이의 시술이 필요하며, 다른 색상의 잉크에는 다른 파장을 사용하여 최소 한 달 간격으로 시술한다. 네오디뮴 야그 레이저는 높은 피크 전력, 높은 반복률 및 비교적 낮은 비용 때문에 현재 가장 선호되는 레이저이다. 2013년에는 녹색과 연한 파란색과 같이 제거하기 어려운 색상을 더 잘 제거하는 것으로 임상 연구를 통해 나타난 피코초 레이저가 도입되었다. Q 스위치 레이저는 또한 다크 스팟을 제거하고 다른 피부 색소 침착 문제를 해결하는 데 사용될 수 있다.

 같이 보기 
 레이저 구성
 게인 스위칭
 인젝션 시더

 각주 

분류:레이저 물리학