Одно из самых завораживающих свойств импульсного лазера в том, что при средней мощности в единицы ватт или даже милливатты его пиковая мощность может быть в миллионы раз выше. Этот эффект проявляется уже в обычном режиме работы, но, как показал автор YouTube-канала Les' Lab, установка Q-переключателя способна поднять пиковую мощность многократно.
Q-переключатель (модулятор добротности) — это оптический затвор, который помещают внутрь резонатора лазера. Пока он закрыт, резонатор не выходит на резонанс, что резко ограничивает вынужденное излучение и позволяет энергии накапливаться по мере насыщения активной среды. При достижении определённого уровня затвор внезапно перестаёт задерживать свет, и резонатор излучает очень короткий и мощный импульс. Полную энергию вспышки Q-переключатель не увеличивает — он лишь высвобождает её гораздо быстрее. В роли затвора автор использовал кристаллы иттрий-алюминиевого граната с добавкой хрома (Cr:YAG) и сравнил между собой несколько образцов.
Для измерений применялись два датчика: пироэлектрический сенсор энергии и быстрый фотодиод, фиксирующий форму импульса. Без Q-переключателя лазер давал импульс длительностью около 150 микросекунд с полной энергией порядка 137 мДж и пиковой мощностью чуть менее одного киловатта.
После установки модулятора добротности картина изменилась радикально: длительность импульса сократилась до 14 наносекунд, а пиковая мощность подскочила до 1,3 мегаватта — при том что полная энергия снизилась до 77 мДж. Вся запасённая энергия попросту высвобождалась за несопоставимо меньшее время.
Чтобы оценить влияние самого затвора, автор собрал измеритель поглощения и сравнил несколько Q-переключателей с разной степенью ослабления. В целом чем выше поглощение, тем большей оказывалась пиковая мощность в момент срабатывания: при 92% поглощения удалось достичь 2,25 мегаватта. Любопытно, что рост пиковой мощности не превратился в рост режущей способности — импульс настолько короток, что успевает лишь испарить тончайший поверхностный слой металла. Зато энергии вспышки хватало, чтобы ионизировать воздух и раскалывать стекло в точке фокуса.
Это не первая доработка установки, собранной на базе бывшего лазера для сведения татуировок: модернизации Q-переключателя предшествовало улучшение самой активной среды. Проект наглядно демонстрирует, почему модуляция добротности остаётся одним из ключевых приёмов в технике мощных лазерных импульсов — и что подобные опыты вполне по силам энтузиасту в условиях домашней лаборатории.
