가장 높은 펄스 에너지와 가장 짧은 펄스 지속 시간을 달성하려면 Q-switched 레이저는 낮은 펄스 반복률로 작동해야 합니다. 구체적으로, 반복률은 이득 매질의 상위 상태 수명의 역수 이하로 유지해야 합니다. 이 타이밍을 통해 레이저 매질은 펄스가 방출되기 전에 최대량의 에너지를 저장할 수 있습니다.
펄스 빈도를 제한함으로써 이득 매질이 상위 에너지 상태를 완전히 채울 충분한 시간을 확보할 수 있습니다. 이는 개별 펄스의 강도를 최대화하지만, 평균 출력 전력을 희생해야 합니다.
반복률의 중요성
에너지 저장 최적화
고에너지 펄스의 근본적인 메커니즘은 이득 매질 내에서 효과적인 에너지 저장입니다.
낮은 반복률로 작동하면 시스템은 펄스 간의 시간 간격을 늘립니다. 이 지속 시간은 상위 상태 수명에 의해 결정되는 매질의 에너지 보유 능력에 해당해야 합니다.
역수명 한계
최적의 성능을 위해서는 펄스 반복률이 상위 상태 수명의 역수보다 낮아야 합니다.
이 한계를 초과하면 매질이 에너지를 완전히 보충할 시간이 충분하지 않습니다. 결과 펄스는 시스템의 이론적 최대치보다 약하고 길 것입니다.
펄스 에너지 및 지속 시간 엔지니어링
능동 vs. 수동 스위칭
능동 Q-스위칭은 일반적으로 가능한 가장 높은 펄스 에너지를 달성하는 데 필요합니다.
능동 스위치는 셔터 타이밍을 정밀하게 제어하여 전체 인구 반전이 달성될 때까지 캐비티를 닫아 둡니다. 반대로, 수동 스위치는 흡수체가 포화되는 즉시 에너지를 방출하는데, 이는 매질이 완전히 충전되기 전에 발생할 수 있습니다.
짧은 공진기의 필요성
펄스 지속 시간을 최소화하려면 레이저의 물리적 기하학적 구조가 중요합니다.
짧은 레이저 공진기는 캐비티 내에서 빛의 왕복 시간을 줄여 더 짧고 더 좁은 펄스를 생성합니다. 마이크로칩 레이저는 이러한 예로, 극도로 짧은 공진기를 사용하여 가장 짧은 펄스를 생성하지만 종종 중간 정도의 에너지 수준에서 작동합니다.
높은 이득의 요구 사항
짧은 펄스 지속 시간은 또한 높은 레이저 이득을 가진 이득 매질을 엄격하게 요구합니다.
높은 이득은 Q-스위치가 열린 후 펄스가 빠르게 구축되도록 보장합니다. 소형 엔드-펌핑 고체 레이저는 종종 여기서 최상의 균형을 제공하며, 밀리줄 수준의 에너지로 나노초 규모의 펄스를 생성하는 높은 이득을 제공합니다.
절충점 이해
평균 전력 vs. 피크 에너지
단일 펄스의 에너지와 시간 경과에 따른 총 출력 전력 사이에는 피할 수 없는 절충점이 있습니다.
주요 작동 원리에 명시된 바와 같이, 펄스 에너지를 최대화하려면 반복률을 낮춰야 합니다. 결과적으로 이 접근 방식은 시스템의 평균 출력 전력을 다소 감소시킵니다.
이득 vs. 저장 용량
이득 매질을 선택할 때는 종종 펄스 에너지와 펄스 지속 시간 중에서 선택해야 합니다.
이트륨 도핑 매질(예: Yb:YAG)은 긴 상위 상태 수명을 제공하여 높은 에너지를 저장하는 데 탁월합니다. 그러나 일반적으로 네오디뮴 도핑 매질(예: Nd:YAG)보다 이득이 낮아 더 긴 펄스 지속 시간을 초래할 수 있습니다.
아키텍처 제한
다른 레이저 아키텍처는 다른 지표에서 우수하므로 "완벽한" 올라운드 레이저는 불가능합니다.
박막 디스크 레이저는 매우 높은 펄스 에너지를 허용하지만, 상대적으로 작은 이득으로 인해 매우 짧은 펄스를 생성하는 데는 적합하지 않습니다. 반대로, 마이크로칩 레이저는 속도는 빠르지만 대규모 에너지 저장을 위한 충분한 용량이 부족합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
Q-switched 시스템을 설계하거나 선택할 때는 특정 물리적 요구 사항을 우선시해야 합니다.
- 최대 펄스 에너지가 주요 초점이라면: 능동 Q-스위칭과 낮은 반복률을 우선시하여 각 샷 전에 전체 인구 반전을 보장합니다.
- 가장 짧은 펄스 지속 시간이 주요 초점이라면: 짧은 공진기 길이(예: 마이크로칩 레이저)와 고이득 매질을 가진 시스템을 선택합니다.
- 극단적인 에너지 확장이 주요 초점이라면: 마스터 발진기 파워 증폭기(MOPA) 아키텍처를 사용하여 단일 발진기의 한계를 초과하는 펄스를 증폭합니다.
- 속도와 전력의 균형이 주요 초점이라면: 높은 이득으로 짧은 펄스를 생성하고 밀리줄 수준의 에너지 용량을 갖춘 소형 엔드-펌핑 고체 레이저를 고려합니다.
성공은 레이저의 물리적 매개변수, 특히 반복률과 캐비티 설계를 가장 중요하게 생각하는 단일 지표와 일치시키는 데 달려 있습니다.
요약 표:
| 최적화 요소 | 최대 에너지 요구 사항 | 짧은 지속 시간 요구 사항 |
|---|---|---|
| 반복률 | 낮음 ( < 1/상위 상태 수명) | 이득보다 덜 중요 |
| 스위칭 방법 | 능동 Q-스위칭 | 고속 스위칭 |
| 공진기 길이 | 에너지용 표준/더 김 | 짧음 (예: 마이크로칩) |
| 이득 매질 | 높은 저장 용량 (예: Yb:YAG) | 높은 이득 (예: Nd:YAG) |
| 평균 전력 | 감소/희생됨 | 가변 |
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