レーザーのQスイッチングとは、レーザー共振器の品質係数(Q)を変調することにより、高強度・短時間パルスを発生させる技術です。この場合、最初はQを低く（共振器損失が高く）保つことでレーザー媒質（Nd:YAG結晶など）にエネルギーを蓄え、発振を防ぎます。Qを突然高い値（低損失）に切り替えると、蓄えられたエネルギーが強力なナノ秒単位のパルスとなって放出される。この原理は、材料加工、医療処置、LIDARなど、精度と高いピークパワーを必要とする用途で活用される。受動的Qスイッチングでは、高強度で「ブリーチ」する可飽和吸収体を使用し、能動的手法では音響光学デバイスのような外部変調器を使用します。
ポイントを解説
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Qスイッチングの基本原理
- Qスイッチングは 品質係数 (Q) エネルギー放出を制御するレーザー共振器の
- 低Q（高損失）:利得媒体（Nd:YAG結晶など）にエネルギーが蓄積される。
- 高Q（低損失）:蓄積されたエネルギーは、短くて強いパルス（ナノ秒）として突然放出される。
- 類似性 :ダムは水（エネルギー）をせき止めるものであり、水門を開く（Qを切り替える）ことで波が押し寄せる。
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アクティブQスイッチングとパッシブQスイッチング
- アクティブ:外部変調器（音響光学素子や電気光学素子など）を使用し、Qスイッチのタイミングを正確に合わせる。
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パッシブ:高強度で "漂白 "し、自動的に損失を減らす可飽和吸収体（染料や結晶など）に頼る。
- 例パッシブQスイッチングでは、レーザーの出力が上がるにつれて吸収体が飽和し、共振器損失が急速に低下してパルスが放出されます。
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Qスイッチングを使用する理由
- ピークパワー:エネルギーを超短パルス（メガワットからギガワット）に集中し、切断、穴あけ、タトゥー除去に不可欠。
- 精度:短いパルスは熱拡散を最小限に抑え、微細な材料加工や皮膚治療のような医療用途を可能にします。
- レーザーが傷跡を残さずタトゥーを除去する方法を不思議に思ったことはありませんか？Qスイッチパルスは、最小限の熱損傷でインク粒子を破壊します。
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主な用途
- 材料加工:切断、マーキング、微細加工（半導体製造など）。
- メディカル:タトゥー除去、肌の若返り、精密な外科手術。
- ライダー/距離計:ハイパワーパルスで距離を測定したり、地形をマッピングする。
- 非線形光学:周波数変換のための励起装置（例えば、緑色光や紫外線を発生させる）。
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人間への影響
- Qスイッチ・レーザーは、医療治療から環境モニタリング（気候研究のためのLIDARなど）に至るまで、人々の生活を向上させるツールを駆動します。その精度は、より安全な手術やよりクリーンな工業プロセスを可能にします。
Qスイッチングは、共振器の損失を光のスイッチのように切り替えることで、連続的なレーザーエネルギーを極めて強力なバーストパワーに変換します。
総括表
| 側面 | 基本理念 |
|---|---|
| 基本原理 | レーザー共振器のQファクターを変調し、パルスのエネルギーを蓄積・放出する。 |
| アクティブQスイッチング | 正確なタイミングのために外部変調器（音響光学装置など）を使用。 |
| パッシブQスイッチング | 高強度で「白化」する可飽和吸収体に依存。 |
| 主な利点 | 高ピークパワー、高精度、最小限の熱損傷。 |
| 用途 | 医療、材料加工、LIDAR、非線形光学。 |
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