調Q激光器——依靠Q開關的方法發射光脈沖的激光器

Q開關激光器是一種應用了主動或被動Q開關技術的激光器，從而發射高能光脈沖。這種激光器的典型應用是材料加工（例如切割、鉆孔、激光打標）、泵浦非線性頻率轉換設備、測距和遙感。

Q開關激光器可以連續泵浦或脈沖泵浦，例如來自閃光燈（特別是對于低脈沖重復率）。對于連續泵浦，增益介質應具有較長的上能態壽命，以達到足夠高的存儲能量，而不是像熒光那樣損失能量。在任何情況下，飽和能量都不應太低，因為這會導致增益過大，從而更難以抑制過早出現的激光。后一個問題尤其可能發生在光纖激光器上。另一方面，過高的飽和注量會使有效的能量提取變得困難。

調Q激光器的類型

最常見的類型是主動調Q固態 體激光器。固態增益介質具有良好的能量存儲能力，體激光器允許大模式區域（因此具有更高的脈沖能量和峰值功率）和更短的激光諧振腔（例如與光纖激光器相比）。激光諧振腔包含一個有源Q開關——一個光調制器，在大多數情況下是一個聲光Q開關。

主動調Q激光器的示意圖設置

對于 1 μm 光譜范圍內的波長，最常見的脈沖激光器基于摻釹 激光晶體，例如Nd:YAG、Nd:YVO 4或Nd:YLF，盡管摻鐿激光增益介質也可以用過的。小型主動調Q固態激光器可以在 10 ns 脈沖中以1 kHz 重復率和100 μJ 脈沖能量發射100 mW 的平均功率。峰值功率則為 ≈ 9 kW。低脈沖重復率（低于逆上能態壽命）可實現最高脈沖能量和最短脈沖持續時間)，代價是平均輸出功率有所降低。具有10 瓦泵浦源（例如二極管棒）的稍大的 Nd:YAG 激光器可以達到幾毫焦耳的脈沖能量。 Nd:YVO 4特別適用于短脈沖持續時間和高脈沖重復率，或用于低泵浦功率的操作。

具有更長發射波長的Q開關激光器通常基于摻鉺激光增益介質，例如1.65或2.94μm的Er:YAG，或≈2μm的摻銩晶體。

可以從放大器系統 ( MOPA )獲得明顯更大的脈沖能量。對于與中等脈沖能量相結合的高平均功率，可以使用光纖MOPA，也稱為MOFA。

被動調Q激光器的示意圖設置。可飽和吸收體是激光諧振腔內的晶體（例如 Cr:YAG）。

特別是對于低脈沖重復率，燈泵浦可能是一種經濟上有利的選擇，因為對于給定的峰值功率，放電燈比激光二極管便宜得多。然而，對于更高的功率，二極管泵浦變得更具吸引力，這也是因為激光晶體中的熱效應大大降低。

被動Q開關激光器包含一個飽和吸收體（被動Q開關），而不是調制器。對于連續泵浦，可以獲得規則的脈沖序列，其中脈沖的定時通常無法通過外部手段精確控制，并且脈沖重復率隨著泵浦功率的增加而增加。1-μm 激光器最常用的可飽和吸收體是 Cr:YAG 晶體。

被動調Q微芯片激光器具有特別緊湊的設置。這種激光器通常發射能量在納焦到幾微焦之間、平均輸出功率為幾十毫瓦、重復率在幾千赫茲和幾兆赫之間的脈沖。

微片型激光器，被動Q開關與SESAM。激光晶體的左側有一層介電涂層，用作輸出耦合鏡。

通常，被動調Q激光器的平均輸出功率比主動調Q激光器更受限制，因為可飽和吸收器會耗散一些能量，從而限制了熱效應的發生。請注意，可飽和吸收器通常具有一些非飽和損耗，這通常會將耗散能量增加到遠遠超出原則上不可避免的水平。

特別是一些較小的Q開關激光器，以及一些具有較長諧振腔的激光器，其中包含一個光學濾波器，例如體積布拉格光柵，在單軸向諧振腔模式下工作。這導致干凈的時間形狀和小的光學帶寬，通常受脈沖持續時間限制。其他激光器在多個諧振腔模式下振蕩，這會導致模式 跳動效應：輸出光功率被調制為諧振腔往返頻率整數倍的頻率。

光纖激光器也可以進行主動或被動調Q。然而，全光纖設備在性能方面相當有限，而包含體光元件（例如聲光Q開關）的Q開關光纖激光器的魯棒性和功率不如體激光器。相對較小的模式面積（即使在使用大模式面積光纖時）引入了光纖非線性和激光誘導損壞的問題，這限制了脈沖能量，尤其是可達到的峰值功率。另請注意，光纖激光器中通常非常高的激光增益對激光動力學有重要影響; 特別是，它會導致形成復雜的時間子結構。另一方面，高功率光纖放大器適用于放大平均功率高但脈沖能量適中的脈沖串。這種放大器中某種程度的非線性脈沖失真對于應用來說通常是可以接受的。

主動調Q光纖激光器的設置

設計問題

根據Q開關激光器的設計目標，不同的解決方案可能是合適的。下面列出了一些可能的目標、遇到的問題和權衡：

對于短脈沖持續時間，需要短激光諧振腔和高激光增益。使用微芯片激光器可以獲得最短脈沖，因為它們可以具有極短的諧振器，但可獲得的脈沖能量適中。緊湊型固態激光器可以實現短脈沖持續時間（幾納秒）與毫焦耳脈沖能量的結合，尤其是端泵浦版本，因為它們具有更高的增益。 薄盤激光器允許非常高的脈沖能量，但由于其相對較小的增益而不適用于非常短的脈沖。

高脈沖能量需要良好的能量存儲。對于連續泵送，這意味著需要較長的上能態壽命。這導致摻鐿激光增益介質（例如 Yb:YAG）與Nd:YAG相比具有優勢，盡管它們通常具有較低的增益并因此產生更長的脈沖。

實際上應該避免過高的增益，因為它會帶來通過ASE或寄生激光損失能量的風險。

脈沖重復率通常可以在一個大范圍內變化，但是這不僅影響脈沖能量可以實現，還影響脈沖持續時間。

在高光強度下，激光引起的腔內組件（如激光鏡）損壞可能是一個問題。因此，不僅在激光晶體中而且在所有諧振腔鏡和 Q開關中都需要具有足夠大的模式面積的諧振腔設計。特別是與較短的諧振器長度相結合時，這可能難以實現。諧振器設計的數值優化有時可以顯著提高性能值，同時提高穩定性、易于對齊和使用壽命長。

通過注入種子可以實現減小的發射線寬。

調Q激光器的應用

調Q激光器具有廣泛的應用。一些例子：

• 激光材料加工，例如激光切割、激光鉆孔、激光打標、激光圖案化

• 激光測距儀

• 用于3D成像的激光雷達

• 激光誘導擊穿光譜

• 醫學應用，例如皮膚病學和紋身去除

• 非線性頻率轉換的泵浦裝置，例如脈沖光學參量振蕩器

• 熒光光譜

激光安全

即使對于平均輸出功率較低的激光器，高脈沖能量和峰值功率也會引起嚴重的激光器安全問題。在許多情況下，對眼睛的一次射擊將是眼睛看到的最后一件事。通過使用在人眼安全波長下工作的Q開關激光器，可以顯著降低此類風險。