การควบคุมความถี่พัลส์ของเทคโนโลยีควบคุมพัลส์เลเซอร์

การควบคุมความถี่พัลส์ของเทคโนโลยีการควบคุมพัลส์เลเซอร์

1. แนวคิดเรื่องความถี่พัลส์ อัตราพัลส์เลเซอร์ (อัตราการทำซ้ำพัลส์) หมายถึงจำนวนพัลส์เลเซอร์ที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลา โดยทั่วไปมีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz) พัลส์ความถี่สูงเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีอัตราการทำซ้ำสูง ในขณะที่พัลส์ความถี่ต่ำเหมาะสำหรับงานพัลส์เดี่ยวพลังงานสูง

2. ความสัมพันธ์ระหว่างกำลัง ความกว้างพัลส์ และความถี่ ก่อนการควบคุมความถี่เลเซอร์ จำเป็นต้องอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างกำลัง ความกว้างพัลส์ และความถี่เสียก่อน ความสัมพันธ์ระหว่างกำลัง ความถี่ และความกว้างพัลส์ของเลเซอร์มีความซับซ้อน การปรับพารามิเตอร์ใดพารามิเตอร์หนึ่งมักต้องพิจารณาพารามิเตอร์อีกสองตัวเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

3. วิธีการควบคุมความถี่พัลส์ทั่วไป

ก. โหมดควบคุมภายนอกจะโหลดสัญญาณความถี่ออกนอกแหล่งจ่ายไฟ และปรับความถี่พัลส์เลเซอร์โดยการควบคุมความถี่และรอบการทำงานของสัญญาณโหลด วิธีนี้ช่วยให้พัลส์เอาต์พุตซิงโครไนซ์กับสัญญาณโหลด จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการควบคุมที่แม่นยำ

ข. โหมดควบคุมภายใน สัญญาณควบคุมความถี่ถูกติดตั้งไว้ในแหล่งจ่ายไฟของไดรฟ์ โดยไม่ต้องมีสัญญาณอินพุตภายนอกเพิ่มเติม ผู้ใช้สามารถเลือกความถี่ภายในแบบคงที่หรือความถี่ควบคุมภายในแบบปรับได้ เพื่อความยืดหยุ่นที่มากขึ้น

ค. การปรับความยาวของเรโซเนเตอร์หรือตัวปรับแสงไฟฟ้าลักษณะความถี่ของเลเซอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับความยาวของเรโซเนเตอร์หรือใช้ตัวปรับแสงไฟฟ้า วิธีการควบคุมความถี่สูงนี้มักใช้ในงานที่ต้องการกำลังเฉลี่ยสูงและความกว้างพัลส์ที่สั้นลง เช่น เลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งและการถ่ายภาพทางการแพทย์

d. เครื่องปรับคลื่นแสงแบบอะคูสโตออปติก(AOM Modulator) เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการควบคุมความถี่พัลส์ของเทคโนโลยีการควบคุมพัลส์เลเซอร์โมดูเลเตอร์ AOMใช้เอฟเฟกต์อะคูสติกออปติก (นั่นคือ แรงดันการสั่นเชิงกลของคลื่นเสียงจะเปลี่ยนดัชนีการหักเหของแสง) เพื่อปรับและควบคุมลำแสงเลเซอร์

4. เทคโนโลยีการปรับภายในโพรง เมื่อเปรียบเทียบกับการปรับภายนอก การปรับภายในโพรงสามารถสร้างพลังงานสูงและกำลังสูงสุดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเลเซอร์พัลส์ต่อไปนี้เป็นเทคนิคการปรับภายในโพรงทั่วไปสี่ประการ:

ก. การสลับค่าเกน (Gain Switching) โดยการมอดูเลตแหล่งกำเนิดของปั๊มอย่างรวดเร็ว จะทำให้ค่าการกลับด้านของจำนวนอนุภาคและค่าสัมประสิทธิ์ของค่าเกนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งสูงกว่าอัตราการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น ส่งผลให้โฟตอนในโพรงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและเกิดเลเซอร์พัลส์สั้น วิธีการนี้พบได้บ่อยในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งสามารถผลิตพัลส์ได้ตั้งแต่ระดับนาโนวินาทีไปจนถึงหลายสิบพิโควินาที ด้วยอัตราการทำซ้ำหลายกิกะเฮิรตซ์ และถูกใช้อย่างกว้างขวางในด้านการสื่อสารด้วยแสงที่มีอัตราการส่งข้อมูลสูง

Q-switching (Q-switching) Q-switching ทำหน้าที่ยับยั้งการป้อนกลับทางแสงโดยทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานสูงในโพรงเลเซอร์ ทำให้กระบวนการสูบน้ำสามารถทำให้เกิดการกลับทิศของจำนวนอนุภาคได้ไกลเกินกว่าขีดจำกัดที่กำหนด ซึ่งกักเก็บพลังงานไว้จำนวนมาก หลังจากนั้น การสูญเสียพลังงานในโพรงจะลดลงอย่างรวดเร็ว (กล่าวคือ ค่า Q ของโพรงจะเพิ่มขึ้น) และมีการป้อนกลับทางแสงอีกครั้ง ทำให้พลังงานที่กักเก็บไว้ถูกปล่อยออกมาเป็นพัลส์ความเข้มสูงระยะสั้นพิเศษ

c. การล็อกโหมดจะสร้างพัลส์สั้นพิเศษในระดับพิโคเซคันด์หรือแม้แต่เฟมโตเซคันด์ โดยการควบคุมความสัมพันธ์ของเฟสระหว่างโหมดตามยาวต่างๆ ในโพรงเลเซอร์ เทคโนโลยีการล็อกโหมดแบ่งออกเป็นการล็อกโหมดแบบพาสซีฟและการล็อกโหมดแบบแอคทีฟ

ง. การดัมพ์โพรง (Cavity Dumping) โดยการกักเก็บพลังงานไว้ในโฟตอนในเรโซเนเตอร์ โดยใช้กระจกโพรงที่มีการสูญเสียต่ำเพื่อยึดโฟตอนไว้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยรักษาสถานะการสูญเสียต่ำในโพรงไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง หลังจากรอบการทำงานหนึ่งรอบ พัลส์ที่แรงจะถูก "ดัมพ์" ออกจากโพรงโดยการสลับองค์ประกอบภายในโพรงอย่างรวดเร็ว เช่น ตัวปรับคลื่นอะคูสติกออปติก หรือชัตเตอร์อิเล็กโทรออปติก และปล่อยเลเซอร์พัลส์ระยะสั้นออกมา เมื่อเทียบกับการสลับ Q การดัมพ์โพรงสามารถรักษาความกว้างของพัลส์ได้หลายนาโนวินาทีที่อัตราการทำซ้ำสูง (เช่น หลายเมกะเฮิรตซ์) และให้พลังงานพัลส์ที่สูงขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการอัตราการทำซ้ำสูงและพัลส์ระยะสั้น เมื่อใช้ร่วมกับเทคนิคการสร้างพัลส์อื่นๆ พลังงานพัลส์สามารถปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นได้อีก

การควบคุมชีพจรของเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและสำคัญ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบคุมความกว้างพัลส์ การควบคุมความถี่พัลส์ และเทคนิคการมอดูเลตมากมาย ด้วยการเลือกและการประยุกต์ใช้วิธีการเหล่านี้อย่างเหมาะสม ประสิทธิภาพของเลเซอร์จึงสามารถปรับได้อย่างแม่นยำเพื่อตอบสนองความต้องการในสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลาย ในอนาคต ด้วยการพัฒนาวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีการควบคุมพัลส์ของเลเซอร์จะนำไปสู่ความก้าวหน้าที่มากขึ้น และส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ในทิศทางของความแม่นยำสูงขึ้นและการประยุกต์ใช้ที่กว้างขึ้น