Ｑスイッチについて

質問

電気光学結晶を用いたＱスイッチは、どのような動作原理で動くのか教えてください。

回答No.2

kagakusuki · ベストアンサー

電気光学効果を示す結晶の中でも、Qスイッチに用いられる電気光学結晶は、主にポッケルス効果（Pockels effect）が現れるものが使われます。

【参考URL】
　電気光学効果 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B0%97%E5%85%89%E5%AD%A6%E5%8A%B9%E6%9E%9C

　ポッケルス効果とは、通常の状態では光学的には等方性である、ある種の誘電体の結晶を、電場中に置くと、電場の強さに比例して屈折率が変化し、複屈折性を示す様になる現象です。

【参考URL】
　ポッケルス効果 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9D%E3%83%83%E3%82%B1%E3%83%AB%E3%82%B9%E5%8A%B9%E6%9E%9C

　複屈折 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%A4%87%E5%B1%88%E6%8A%98

　複屈折性を示す結晶で、結晶の光軸に平行な方向にカットした平板を作成した場合、平板に垂直に入射した光は、光軸に対して垂直に入射しているのですから、電場の存在下でも複屈折は起きません。
　しかし、入射光が直線偏光している場合には、結晶内に入射した光は、結晶の光軸に対して平行な方向に振動する成分と、光軸に対して垂直な方向に振動する成分に分かれます。
　この分かれた２つの光に対する結晶の屈折率は、複屈折によって、それぞれ異なった屈折率となるため、この分かれた２つの光が結晶中を進む速度は異なる事になります。
　そのため、結晶中を透過する距離が長くなる程、2つに分かれた光の位相はずれて行きます。
　そのため、入射光が直線偏光しているコヒーレント光である場合には、2つに分かれた光が干渉し合う事により、平板を透過した光は楕円偏光をします。
　そして、２つに分かれた光が平板から出る時に、その２つの光の位相差が丁度90度となる様に、平板の厚さを調節した上で、直線偏光している入射光の振動方向が、結晶の光軸に対して45度の角度になる様にしますと、透過光は円偏光した光となります。
　この様な、複屈折によって分かれた光に、丁度90度の位相差を与える板の事を、4分の1波長板と言います。
　ここで、ポッケルス効果を示す結晶で、先程の様に結晶の光軸に平行な方向にカットした平板を作成し、その表裏の面に相対する1対の透明電極を取り付けて、電場を加える事が出来る様にすれば、電極に加える電圧のON-OFFによって、透過光を楕円偏光させたり、直線偏光に戻したりを、自由に切り替える事が出来ます。
　4分の1波長板の後ろに、このポッケルス効果を示す結晶の平板を置き、4分の1波長板を透過して円偏光した光を、ポッケルス効果を示す結晶の平板（電圧を加えた状態）を透過させると、楕円偏光した光となります。
　更にその後ろに偏光フィルターを置き、楕円偏光の長軸の向きと、偏光フィルターの直線偏光の向きが直交する様に配置しますと、透過光の大半は偏光フィルターによって遮られる事になります。
　ここで、ポッケルス効果を示す結晶の平板の電極に加える電圧をOFFにすれば、透過光は楕円偏光ではなく、円偏光となりますから、透過光の大半は偏光フィルターを透過する事が出来る様になります。
　この様な仕掛けを、レーザー発振器中の、レーザー媒質と反射鏡の間に配置すれば、レーザー媒質中を光が1往復する際に光が増幅する割合よりも、変更フィルターに光が遮られて減衰する割合の方が大きくなるため、レーザー光は減衰して、発振しない事になり、レーザー光の強度が極端に低ければ、光の誘導放出が起きる頻度も少ないため、レーザー媒質の分子や原子が、準安定状態から安定状態に落ちて行く速度も遅くなりますから、ポンピングにより準安定状態となっている分子や原子の割合を増やす事が出来る訳です。
　この様にして、レーザーの発振を抑えたり、レーザー光が透過する事を制限したりする素子の事を、Qスイッチと言います。

【参考URL】
　株式会社レーザックス > レーザージョブショップ > レーザ技術を知る 資料・質問 > レーザ加工Ｑ＆Ａ > その２　レーザビームの特性 > Q2. Ｑスイッチレーザはどのようにして得られるのですか
　　http://www.laserx.co.jp/technology/qa/part2.html#2-2

　こうちゃんの「小粋な情報喫茶店」 > 電脳工作室 > essay > 1-10. Opto-electronics circuit(part 1)(オプトエレクトロニクス回路、前編)
　　http://www7b.biglobe.ne.jp/~kochan/workshop/essay/dk8102a.htm

　こうちゃんの「小粋な情報喫茶店」 > 電脳工作室 > essay > 1-11. Opto-electronics circuit(part 2)(オプトエレクトロニクス回路、後編)
　　 http://www7b.biglobe.ne.jp/~kochan/workshop/essay/dk8102b.htm