Q开关激光器

Q开关激光器是一种应用了主动调Q技术或被动调Q技术的激光器，这样它就能发射出高能的光脉冲。这种激光器的典型应用是激光材料加工（如切割、钻孔、激光打标）、泵送非线性频率转换装置、测距和遥感。

Q 开关激光器可以连续泵浦或脉冲泵浦，例如 来自闪光灯（特别是对于低脉冲重复率）。对于连续泵浦，激光增益介质应具有较长的上能级寿命，以达到足够高的存储能量，而不是像荧光那样损失能量。在任何情况下，饱和能量都不应太低，因为这可能导致增益过大（由于增益效率高），从而更难以抑制过早出现的激光。另一方面，太高的饱和能量会使有效的能量提取变得困难。

Q开关激光器的类型

最常见的类型是主动调Q固态体激光器，固体增益介质非常适合在足够长的时间内储存激发能量，体激光器允许大模式面积（因此具有更高的脉冲能量和峰值功率）和更短的激光谐振腔（与光纤激光器相比）。谐振器包含一个有源Q开关–一个光学调制器，在大多数情况下是一个声光Q开关。

对于1μm光谱区的发射波长，最常见的脉冲激光器基于掺钕激光晶体，如Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF，同时也可以使用掺镱激光增益介质。小型主动调Q固态激光器可以在10ns脉冲中以1kHz重复率和100μJ脉冲能量发射100mW的平均功率，然后峰值功率约为9 kW。在低脉冲重复率（低于逆上态寿命）下，可获得最高脉冲能量和最短脉冲持续时间，但平均输出功率有所降低。具有10W 泵浦源（例如二极管棒）稍大一些的Nd:YAG激光器可以达到几毫焦耳的脉冲能量。Nd:YVO4特别适用于短脉冲持续时间和高脉冲重复率，或用于低泵浦功率的操作。

具有较长发射波长的Q开关激光器通常基于掺铒的激光增益介质，如1.65或2.94微米的Er:YAG，或约为2微米的掺铥晶体。

从放大器系统（MOPA）中可以明显获得更大的脉冲能量，对于高平均功率和中等脉冲能量，可以使用光纤MOPA，也称为MOFA。

特别是对于低脉冲重复率，灯泵浦可能是经济性较高的一个选择，因为对于给定的峰值功率，放电灯比激光二极管便宜得多。 然而，对于更高的功率，二极管泵浦变得更具价值，这是因为大大降低了激光晶体中的热效应。

被动调Q激光器包含一个可饱和吸收体（被动调Q开关），而不是调制器。于连续泵浦，可以获得规则的脉冲序列，其中脉冲重复率随着泵浦功率的增加而增加。脉冲的时间通常不能用外部手段精确控制。1μm激光器最常使用的可饱和吸收器是Cr:YAG晶体。

被动调Q微芯片激光器具有特别紧凑的结构，这种激光器通常发射能量在纳焦到几微焦之间、平均输出功率为几十毫瓦、重复频率在几千赫兹和几兆赫之间的脉冲。

通常，被动调 Q 激光器的平均输出功率比主动调 Q 激光器更受限制，因为可饱和吸收器会耗散一些能量。请注意，可饱和吸收器通常具有一些非饱和损耗，这通常会增加耗散能量，理论上远远超过不可避免的水平。

光纤激光器也可以进行主动或被动调Q。然而，全光纤设备在性能方面相当有限，而包含线性光元件（声光 Q 开关）的Q开关光纤激光器不如线性激光器稳健且功能强大。相对较小的模式面积引入了光纤非线性和激光诱导损坏的问题，这限制了脉冲能量，尤其是可实现的峰值功率。注意：光纤激光器中通常非常高的激光增益对激光动力学有重要影响； 特别是，它可以导致形成复杂的时间子结构。

另一方面，高功率光纤放大器适用于放大平均功率较高但脉冲能量适中的脉冲串。在这样的放大器中，一定程度的非线性脉冲失真对于应用来说通常是可以接受的。

Q开关激光器的应用

调Q激光器有着广泛的应用。一些例子：

• 激光材料加工，例如激光切割、激光钻孔、激光标记、激光图案制作；
• 激光测距仪；
• 三维成像激光雷达；
• 激光诱导击穿光谱；
• 医疗应用，如皮肤科和纹身去除；
• 用于非线性频率转换的泵浦装置，例如脉冲光学参量振荡器；
• 荧光光谱；

激光安全

请注意，即使是平均输出功率较低的激光器，其高脉冲能量和峰值功率也会引起严重的激光安全问题。在许多情况下，激光直射入眼睛可能导致失明，甚至对于在“人眼安全”光谱区域工作的调Q激光器也是如此，应该做好相应的防护措施。