سوئیچ‌زنی بهره
تعریف: روشی برای تولید پالس های اپتیکی کوتاه در یک لیزر توسط مدولاسیون بهره لیزر
سوئیچ زنی بهره روشی برای تولید پالس توسط مدولاسیون سریع بهره لیزر از طریق توان پمپی است. اگر به طور ناگهانی توان پمپی زیاد به لیزر وارد شود، گسیل لیزر با تأخیر معینی اتفاق می‌افتد. علت این تأخیر این است که تولید نور لیزر با نور ضعیف فلورسانس شروع و بعد از تعدادی حرکت رفت و برگشتی در تشدیدگر تقویت می‌شود. بنابراین، می‌توان مقداری از انرژی را در محیط بهره ذخیره کرد که در ادامه به صورت یک پالس کوتاه استخراج می‌شود. پالس به‌دست آمده می‌تواند کوتاهتر از پالس پمپی و همچنین کوتاهتر از طول عمر تراز فوقانی[1] باشد که دینامیک آن اساساً مانند پدیده اسپایکینگ[2] است. در این پدیده توان پمپ برای زمان بسیار کوتاه عمل می‌کند تا فقط یک جهش تیز[3] نخستین تولید شود.
هرچه انرژی پالس پمپ شده بیشتر باشد، زمان تقویت پالس و در نتیجه مدت زمان پالس پمپی لازم نیز کوتاهتر است. با استفاده از تشدیدکننده لیزری طولانی‌تر می‌توان زمان تقویت پالس یک لیزر سوئیچ‌زنی بهره را افزایش داد، اما این کار باعث افزایش مدت زمان پالس خروجی نیز می‌شود.
توان پمپ ممکن است کاملاً بین پالس ها خاموش شود یا دقیقاً در سطحی پایین‌تر از آستانه لیزر نگه داشته شود.
شکل1- تحولات توان شبیه‌سازی شده برای سوئیچ‌زنی بهره لیزر حالت جامد. مقدار انرژی پمپ به اندازه‌ای است که پالس لیزر در انتهای پالس پمپ گسیل می‌شود. در پمپاژ با انرژی بالاتر، پالس لیزر خیلی زود شروع می‌شود و ممکن است پالس دوم گسیل شود.
کاربرد سوئیچ‌زنی بهره
سوئیچ‌زنی بهره را می‌توان بر انواع مختلف لیزر اعمال کرد:
-
لیزرهای گازی
برخی از لیزرهای گازی می‌توانند با جریان برانگیختگی پالسی کار کنند. این کار اغلب با لیزرهای دی‌اکسیدکربن TEA (لیزرهای CO2) انجام می‌شود که فقط برای کار پالسی مناسب هستند. با این حال، نتیجه لزوماً بدست آوردن سوئیچ‌زنی بهره، به معنای استفاده از اولین جهش تیز پالس ساطع‌شده نیست؛ ممکن است نوعی عملکرد موج شبه پیوسته در مدت زمان محدود باشد.
-
لیزرهای رنگی
در این موارد، از لیزرهای پالسی برای پمپاژ اپتیکی[4] لیزر سوئیچ‌زنی بهره استفاده می شود. به عنوان مثال، از لیزرهای فرابنفش نیتروژن یا لیزرهای اگزایمر می‌توان برای پمپاژ لیزرهای رنگی استفاده کرد.
-
لیزرهای حالت جامد
لیزر حجمی حالت جامد[5] یا لیزر فیبری در صورتی که فقط تا چند میکروثانیه پمپ شود می‌تواند یک جهش تیز پالس گسیل کند. مدت زمان پالس ممکن است از ده‌ها تا صدها نانو ثانیه باشد اما به سبب انرژی پالس محدود به ندرت از آن استفاده می‌شود.
-
لیزر دیودها
یک لیزر دیود با پالس های جریان کوتاه یا با یک سیگنال مدولار پیوسته می‌تواند کار کند. این موضوع می‌تواند منجر به تولید پالس‌هایی با مدت زمان چند نانو ثانیه یا حتی تا چند ده پیکوثانیه و با نرخ تکرار پالس[6] تا چندین گیگا هرتز شود، این قابلیت در کاربردهای مخابراتی استفاده می‌شود. با فشرده‌سازی پالس اضافی، می‌توان مدت زمان پالس را به زیر 4 پیکوثانیه کاهش داد.
بر خلاف لیزرهای مد قفل شده[7]، لیزر دیودها دارای سوئیچ‌زنی بهره، به راحتی به شما امکان می‌دهند تا میزان تکرار پالس را در محدوده وسیعی تنظیم کنید، زیرا بدون تغییر تنظیمات تشدیدگر لیزری، می‌توان آن را با یک درایور الکترونیکی کنترل کرد. همچنین، لیزر دیودها ساده تر و جمع و جور تر هستند. با این حال، لرزش موقعیت زمانی[8] و همچنین نوسانات سایر پارامترهای پالس بیشتر از لیزر مد قفل شده است. در این حالت پالس‌های بعدی با هم همدوسی ندارند.
انرژی پالس یک لیزر دیود با سوئیچ‌زنی بهره نسبتاً محدود است، زیرا توان پیک معمولاً نمی‌تواند بالاتر از توان پالس‌های طولانی‌تر باشد. در صورت تلاش برای تولید پالس‌های طولانی‌تر با انرژی بالاتر، اگر به یک پروفایل پالسی زمانی هموار نیاز باشد، ممکن است پیک سوئیچ‌زنی بهره دارای آشفتگی باشد.
یک روش جالب برای تولید پالس‌های نانو ثانیه انرژی، ترکیب یک لیزر دیود سوئیچ بهره با یک تقویت کننده فیبری است. به این ترتیب می‌توان پالس‌هایی با انرژی میکروژول یا میلی ژول تولید کرد. این روش از نظر مدت زمان پالس، شکل و نرخ تکرار انعطاف پذیری بالایی را ایجاد می‌کند. با این حال، به دلیل کم بودن انرژی چشمه پالس، به یک تقویت‌کننده بهره نسبتاً قوی نیاز است و بنابراین اغلب به بیش از یک مرحله تقویت و فیلترهای اپتیکی اضافی برای دستیابی به گسیل خود به خودی تقویت‌شده[9] نیاز است.
از لیزر دیودهای سوئیچ‌زنی بهره نیز ممکن است به عنوان لیزر چشمه[10] (لیزر چشمه لیزری است که انرژی آن به تقویت کننده یا لیزر دیگر تزریق می‌شود) برای تقویت کننده‌های پارامتری اپتیکی[11] استفاده شود.
9Amplified Spontaneous Emission
11Optical Parametric Amplifiers