激光調(diào)Q——一種通過調(diào)制腔內(nèi)損耗從激光器獲得高能脈沖的方法

調(diào)Q是一種通過調(diào)制腔內(nèi)損耗和激光諧振腔的Q因子，從激光器中獲得能量短（但不是超短）光脈沖的技術(shù)。該技術(shù)主要用于固體激光器產(chǎn)生高能量、高峰值功率的納秒脈沖。

Q開關(guān)脈沖的產(chǎn)生可以描述如下：

最初，諧振器損耗保持在高水平。由于此時(shí)無法產(chǎn)生激光，泵浦機(jī)構(gòu)饋入增益介質(zhì)的能量會(huì)在那里積聚。存儲(chǔ)能量的數(shù)量通常僅受自發(fā)發(fā)射（特別是對(duì)于連續(xù)泵浦）的限制，在其他情況下（具有足夠強(qiáng)的增益）受到激光或強(qiáng)ASE 的開始，如果不僅僅是可用的泵浦能量。儲(chǔ)存的能量可以是飽和能量的倍數(shù)。然后，損耗突然（通過有源或無源方式）降低到一個(gè)很小的值，從而激光輻射的功率在激光諧振腔中非常迅速地增加。這個(gè)過程通常從自發(fā)發(fā)射的噪聲開始，在成百上千次諧振器往返中放大到宏觀功率水平。一旦時(shí)間積分的腔內(nèi)功率達(dá)到增益介質(zhì)的飽和能量的數(shù)量級(jí)，增益開始飽和。當(dāng)增益等于剩余（低）諧振器損耗時(shí)達(dá)到脈沖峰值。當(dāng)時(shí)存在的大腔內(nèi)功率導(dǎo)致在功率衰減期間存儲(chǔ)的能量進(jìn)一步消耗。在許多情況下，脈沖最大值之后提取的能量與脈沖最大值之前的能量相似。

Q開關(guān)實(shí)現(xiàn)的脈沖持續(xù)時(shí)間通常在納秒范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)于幾次諧振器往返），并且通常遠(yuǎn)高于諧振器往返時(shí)間。所產(chǎn)生脈沖的能量通常高于增益介質(zhì)的飽和能量，即使對(duì)于小型激光器也可以在毫焦耳范圍內(nèi)。的峰值功率可以比其在可實(shí)現(xiàn)的功率更高的訂單連續(xù)波操作。即使對(duì)于中等尺寸和光束適度聚焦的激光器，峰值強(qiáng)度也足以在空氣中進(jìn)行光擊穿。

在大多數(shù)情況下，Q開關(guān)激光器通過重復(fù)Q開關(guān)產(chǎn)生規(guī)則的脈沖序列。的脈沖重復(fù)率典型地在范圍為1-100千赫，有時(shí)更高。被動(dòng)調(diào)Q微芯片激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)低于 1 ns，重復(fù)率高達(dá)幾兆赫茲，而大型（通常是放大的）激光系統(tǒng)可以提供具有數(shù)千焦耳能量和持續(xù)時(shí)間在納秒范圍內(nèi)的脈沖。

應(yīng)用調(diào)Q技術(shù)的激光器稱為調(diào)Q激光器。諧振器損耗基本上可以通過不同方式切換：

主動(dòng)調(diào)Q

對(duì)于有源Q開關(guān)，損耗由有源控制元件（有源Q開關(guān)）調(diào)制，通常是聲光或電光調(diào)制器。在這里，脈沖是在電觸發(fā)信號(hào)到達(dá)后不久形成的。還有機(jī)械Q開關(guān)，如旋轉(zhuǎn)鏡，用作激光諧振器的端鏡。在任何情況下，獲得的脈沖能量和脈沖持續(xù)時(shí)間取決于存儲(chǔ)在增益介質(zhì)中的能量，即泵浦功率和脈沖重復(fù)率。

主動(dòng)調(diào)Q激光器中增益和損耗的時(shí)間演變。Q開關(guān)在t?=0時(shí)被激活。此時(shí)功率開始呈指數(shù)上升，但僅在≈0.2μs后變高。

有趣的是，調(diào)制器的切換時(shí)間也并不需要是相媲美的脈沖持續(xù)時(shí)間-它可以比這更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)樗枰S多諧振器往返于要形成一個(gè)強(qiáng)烈的脈沖。但是，如果它太長(zhǎng)，則可能會(huì)導(dǎo)致雙脈沖或某些不穩(wěn)定性。

Q開關(guān)的光束偏轉(zhuǎn)角必須足夠大，以便衍射光束真正離開諧振器。在某些情況下，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)Q開關(guān)的高驅(qū)動(dòng)頻率的需求——例如 80 MHz，而 40 MHz 對(duì)其他激光器就足夠了。關(guān)鍵情況是Q開關(guān)內(nèi)光束發(fā)散較大的情況。

對(duì)于許多應(yīng)用，Q開關(guān)脈沖以周期性方式生成，即具有給定的脈沖重復(fù)率。Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器可能包含一個(gè)振蕩器（或數(shù)字設(shè)備），用于周期性地觸發(fā)脈沖生成，或從外部設(shè)備接收周期性觸發(fā)信號(hào)（通常為 TTL 格式）。在某些情況下，TTL 輸入僅向驅(qū)動(dòng)器指示是否應(yīng)生成周期性脈沖序列（時(shí)間由驅(qū)動(dòng)器本身決定）。一些驅(qū)動(dòng)器具有模擬輸入，允許連續(xù)控制Q開關(guān)傳輸。

如何避免超強(qiáng)首脈沖問題？

在某些激光應(yīng)用中，例如激光打標(biāo)，必須在特定時(shí)間間隔內(nèi)關(guān)閉調(diào)Q脈沖序列，同時(shí)繼續(xù)泵浦激光增益介質(zhì)。這導(dǎo)致增益介質(zhì)中儲(chǔ)存能量的積累更強(qiáng)（與周期性脈沖產(chǎn)生的情況相比）。因此，如果再次啟用脈沖生成，特別是第一個(gè)脈沖可能需要比穩(wěn)態(tài)脈沖高得多的能量。因?yàn)槊}沖持續(xù)時(shí)間也減少了，所以峰值功率上升得更多。這些因素可能導(dǎo)致激光誘導(dǎo)損傷激光組件或任何外部物體，它們可能會(huì)干擾使用脈沖的過程。為了避免這些問題，可以在沒有脈沖產(chǎn)生的時(shí)候降低泵浦功率，或者采取措施在前幾個(gè)脈沖中引入額外的損耗。一種常見的技術(shù)是使用有源Q開關(guān)：而不是完全關(guān)閉以生成脈沖，它只是降低了功率，從而保留了一些相當(dāng)大的傳輸損耗，從而相應(yīng)地降低了脈沖能量。（一些Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器提供這樣的功能。）然后多余的能量進(jìn)入衍射光束，可以安全地用光束轉(zhuǎn)儲(chǔ)器處理. 另一種獨(dú)特的方法是在下一個(gè)脈沖序列開始之前通過低功率激光降低存儲(chǔ)的能量；這可以通過緩慢增加Q開關(guān)傳輸來實(shí)現(xiàn)。

有源調(diào)Q激光器的脈沖重復(fù)率可以通過調(diào)制器進(jìn)行控制。如果泵浦功率保持恒定，較高的重復(fù)率通常會(huì)導(dǎo)致較低的脈沖能量。同時(shí)，隨著初始激光增益變低，脈沖變得更長(zhǎng)。對(duì)于非常高的重復(fù)率，如果增益不能及時(shí)恢復(fù)，脈沖串中可能會(huì)丟失一些脈沖。對(duì)于非常低的重復(fù)率，可以獲得相當(dāng)短的高能量脈沖，但是一旦脈沖周期超過上能態(tài)壽命，自發(fā)發(fā)射造成的損失增加會(huì)限制可能的脈沖能量。

產(chǎn)生脈沖的持續(xù)時(shí)間取決于諧振器往返時(shí)間和初始往返凈增益；高初始凈增益會(huì)導(dǎo)致快速脈沖建立、更高的能量提取，并且通常還會(huì)導(dǎo)致脈沖最大值后功率衰減更快。如果激光增益和/或諧振器損耗低，脈沖持續(xù)時(shí)間至少是諧振器往返時(shí)間的數(shù)量級(jí)，并且通常比該時(shí)間長(zhǎng)得多。

特別是對(duì)于高脈沖重復(fù)率，可能很難獲得非常短的脈沖，因?yàn)檩^低的脈沖能量會(huì)導(dǎo)致凈增益的時(shí)間調(diào)制較弱。這個(gè)問題可以通過使用空腔傾倒的方法來解決。脈沖生成階段不是使用普通的輸出耦合鏡，而是通過“閉合”低損耗諧振器有效完成。一旦大部分儲(chǔ)存的能量被轉(zhuǎn)換成循環(huán)脈沖，能量就會(huì)通過腔體傾卸器突然釋放，這是一種快速光開關(guān)。以這種方式，諧振器中的光能可以在一個(gè)諧振器往返時(shí)間內(nèi)提取，而與脈沖建立所需的時(shí)間無關(guān)。

被動(dòng)調(diào)Q

對(duì)于無源Q開關(guān)，損耗會(huì)通過飽和吸收器自動(dòng)調(diào)制。在這里，一旦存儲(chǔ)在增益介質(zhì)中的能量（以及增益）達(dá)到足夠高的水平，就會(huì)形成脈沖。在許多情況下，脈沖能量和持續(xù)時(shí)間是固定的，泵浦功率的變化只影響脈沖重復(fù)率。

被動(dòng)調(diào)Q激光器中增益和損耗的時(shí)間演變。在激光增益超過諧振腔損耗后不久，就會(huì)發(fā)出一個(gè)短脈沖。一旦吸收器開始飽和，功率就會(huì)迅速上升，直到增益飽和到諧振器損耗的水平（此處：10%）。

用于 1-μm YAG 激光器無源Q開關(guān)的常用飽和吸收材料是 Cr 4+ :YAG。對(duì)于1.5μm鉺激光器，有Co 2+ :MgAl 2 O 4、Co 2+ :ZnSe等鈷摻雜晶體，以及摻雜PbS量子點(diǎn)的玻璃。V 3+ :YAG 晶體適用于 1.3-μm 區(qū)域。 半導(dǎo)體可飽和吸收鏡可應(yīng)用于各種波長(zhǎng)。

理想情況下，可飽和吸收器的恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)于脈沖持續(xù)時(shí)間，從而避免額外的不必要的能量損失。然而，吸收器應(yīng)該足夠快，以防止增益恢復(fù)時(shí)過早產(chǎn)生激光。通常，介于脈沖持續(xù)時(shí)間和增益介質(zhì)的上能態(tài)壽命之間的恢復(fù)時(shí)間是理想的。

原則上，可飽和吸收器可能僅吸收產(chǎn)生脈沖能量的一小部分，即吸收器不一定會(huì)降低激光器的功率效率。如果吸收體的飽和能量遠(yuǎn)低于激光增益介質(zhì)的飽和能量并且吸收體表現(xiàn)出可忽略不計(jì)的非飽和損耗，那么這至少是可能的。然而，在實(shí)際吸波器中經(jīng)常會(huì)遇到顯著的非飽和損耗，而損傷閾值等實(shí)際限制可能無法通過使用強(qiáng)聚焦來大幅降低吸波器的飽和能量。因此，功率效率在實(shí)踐中經(jīng)常顯著降低。

脈沖持續(xù)時(shí)間取決于諧振器往返時(shí)間和凈增益的時(shí)間調(diào)制強(qiáng)度。后者主要由所使用的可飽和吸收體的調(diào)制深度決定。對(duì)于更高的調(diào)制深度，通常會(huì)獲得持續(xù)時(shí)間更短、能量更高的脈沖；這兩個(gè)因素都會(huì)增加峰值功率。由于能量提取更強(qiáng)，補(bǔ)充能量和產(chǎn)生脈沖的時(shí)間也會(huì)增加。

泵浦功率的變化通常會(huì)顯著影響脈沖重復(fù)率，但對(duì)持續(xù)時(shí)間、能量和峰值功率等脈沖參數(shù)影響不大。

與有源Q開關(guān)相比，無源Q開關(guān)簡(jiǎn)單且具有成本效益（無需調(diào)制器及其電子設(shè)備），并且適用于非常高的脈沖重復(fù)率。然而，脈沖能量通常較低。此外，脈沖的外部觸發(fā)是不可能的（除了來自另一個(gè)源的光脈沖），而且脈沖能量和持續(xù)時(shí)間通常或多或少與泵浦功率無關(guān)，這也可能是一個(gè)缺點(diǎn)，泵浦功率僅決定脈沖重復(fù)率。

適用于Q開關(guān)的激光器

大多數(shù)摻雜絕緣體 固態(tài)激光器非常適合Q開關(guān)，因?yàn)樗鼈兊脑鲆娼橘|(zhì)具有較長(zhǎng)的上能態(tài)壽命和高飽和能量，因此能夠存儲(chǔ)大量能量。其基礎(chǔ)是它們的激光躍遷是具有相應(yīng)低躍遷截面的弱禁止躍遷。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)上激光能級(jí)的長(zhǎng)輻射壽命。

Bulk激光器通常比光纖激光器更可取，因?yàn)樗鼈兏蟮哪Ｊ矫娣e允許存儲(chǔ)更多的能量，而它們更短的諧振器允許更短的脈沖。

大多數(shù)氣體激光器不適合Q開關(guān)，因?yàn)槠湓鲆娼橘|(zhì)中的能量存儲(chǔ)不足。少數(shù)例外之一是CO 2激光器。

半導(dǎo)體激光器，例如激光二極管，也不適合Q開關(guān)。它們可用于產(chǎn)生相當(dāng)短的脈沖，例如增益切換，但只能使用相當(dāng)?shù)偷拿}沖能量。

各種技術(shù)問題

對(duì)于有源和無源Q開關(guān)，更高的脈沖重復(fù)率通常意味著更長(zhǎng)的脈沖。這是因?yàn)榻档偷拿}沖能量導(dǎo)致凈增益的調(diào)制較弱，從而導(dǎo)致光功率的上升和衰減較慢。當(dāng)有源調(diào)Q激光器的脈沖重復(fù)率低于倒數(shù)上能態(tài)壽命時(shí)，會(huì)達(dá)到最大脈沖能量，但由于熒光損失增加，平均功率降低。

泵送不必以連續(xù)波的方式發(fā)生；也可以使用帶閃光燈或準(zhǔn)連續(xù) 激光二極管的脈沖泵浦，在Q開關(guān)打開前不久發(fā)射。這通過自發(fā)發(fā)射減少了能量損失，從而允許使用具有較短上態(tài)壽命的增益介質(zhì)。

在大多數(shù)情況下，Q開關(guān)激光器中的脈沖是通過在許多諧振腔往返中放大自發(fā)發(fā)射的噪聲而產(chǎn)生的。因此，后續(xù)脈沖之間通常沒有相位相關(guān)性，并且激發(fā)的諧振腔模式的模式可以是隨機(jī)的。此外，多種模式的激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生拍音，明顯表現(xiàn)為Q開關(guān)脈沖包絡(luò)上的快速調(diào)制。然而，在某些情況下，Q開關(guān)激光器被播種，例如使用小型單頻 種子激光器的輸出，以獲得低噪聲單頻輸出，避免拍音并降低整體噪聲。也可以在低功率水平的預(yù)激激光中在激光器本身中產(chǎn)生這樣的種子。

Q開關(guān)的非線性動(dòng)力學(xué)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致意想不到的現(xiàn)象，例如雙脈沖的產(chǎn)生和/或某些不穩(wěn)定性。脈沖生成的數(shù)值模擬對(duì)于理解此類影響和確定正確的治療方法非常有幫助。

請(qǐng)注意，即使對(duì)于平均輸出功率相當(dāng)小的激光器，通過Q開關(guān)獲得的高脈沖能量和峰值功率也會(huì)引起嚴(yán)重的激光器安全問題。此外，光強(qiáng)度可以變得足夠高以破壞腔內(nèi)光學(xué)元件，例如激光反射鏡。因此，可能有必要使用諧振器設(shè)計(jì)，避免任何強(qiáng)聚焦光束在光學(xué)組件上——這對(duì)于具有大模式面積的短激光諧振器（如短脈沖所需要的）而言尤其具有挑戰(zhàn)性。此外，調(diào)Q激光器必須保持非常干凈，以避免灰塵顆粒燃燒。