Q開(kāi)關(guān)激光器是一種應(yīng)用了主動(dòng)或被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)技術(shù)的激光器，從而發(fā)射高能光脈沖。這種激光器的典型應(yīng)用是材料加工（例如切割、鉆孔、激光打標(biāo)）、泵浦非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備、測(cè)距和遙感。

Q開(kāi)關(guān)激光器可以連續(xù)泵浦或脈沖泵浦，例如來(lái)自閃光燈（特別是對(duì)于低脈沖重復(fù)率）。對(duì)于連續(xù)泵浦，增益介質(zhì)應(yīng)具有較長(zhǎng)的上能態(tài)壽命，以達(dá)到足夠高的存儲(chǔ)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(yīng)太低，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致增益過(guò)大，從而更難以抑制過(guò)早出現(xiàn)的激光。后一個(gè)問(wèn)題尤其可能發(fā)生在光纖激光器上。另一方面，過(guò)高的飽和注量會(huì)使有效的能量提取變得困難。

調(diào)Q激光器的類(lèi)型

最常見(jiàn)的類(lèi)型是主動(dòng)調(diào)Q固態(tài) 體激光器。固態(tài)增益介質(zhì)具有良好的能量存儲(chǔ)能力，體激光器允許大模式區(qū)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(gè)有源Q開(kāi)關(guān)——一個(gè)光調(diào)制器，在大多數(shù)情況下是一個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)。

主動(dòng)調(diào)Q激光器的示意圖設(shè)置

對(duì)于 1 μm 光譜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，最常見(jiàn)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(zhì)也可以用過(guò)的。小型主動(dòng)調(diào)Q固態(tài)激光器可以在 10 ns 脈沖中以1 kHz 重復(fù)率和100 μJ 脈沖能量發(fā)射100 mW 的平均功率。峰值功率則為 ≈ 9 kW。低脈沖重復(fù)率（低于逆上能態(tài)壽命）可實(shí)現(xiàn)最高脈沖能量和最短脈沖持續(xù)時(shí)間)，代價(jià)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(dá)到幾毫焦耳的脈沖能量。 Nd:YVO 4特別適用于短脈沖持續(xù)時(shí)間和高脈沖重復(fù)率，或用于低泵浦功率的操作。

具有更長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)的Q開(kāi)關(guān)激光器通常基于摻鉺激光增益介質(zhì)，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(tǒng) ( MOPA )獲得明顯更大的脈沖能量。對(duì)于與中等脈沖能量相結(jié)合的高平均功率，可以使用光纖MOPA，也稱(chēng)為MOFA。

被動(dòng)調(diào)Q激光器的示意圖設(shè)置?？娠柡臀阵w是激光諧振腔內(nèi)的晶體（例如 Cr:YAG）。

特別是對(duì)于低脈沖重復(fù)率，燈泵浦可能是一種經(jīng)濟(jì)上有利的選擇，因?yàn)閷?duì)于給定的峰值功率，放電燈比激光二極管便宜得多。然而，對(duì)于更高的功率，二極管泵浦變得更具吸引力，這也是因?yàn)榧す饩w中的熱效應(yīng)大大降低。

被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)激光器包含一個(gè)飽和吸收體（被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)），而不是調(diào)制器。對(duì)于連續(xù)泵浦，可以獲得規(guī)則的脈沖序列，其中脈沖的定時(shí)通常無(wú)法通過(guò)外部手段精確控制，并且脈沖重復(fù)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(dòng)調(diào)Q微芯片激光器具有特別緊湊的設(shè)置。這種激光器通常發(fā)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(fù)率在幾千赫茲和幾兆赫之間的脈沖。

微片型激光器，被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)與SESAM。激光晶體的左側(cè)有一層介電涂層，用作輸出耦合鏡。

通常，被動(dòng)調(diào)Q激光器的平均輸出功率比主動(dòng)調(diào)Q激光器更受限制，因?yàn)榭娠柡臀掌鲿?huì)耗散一些能量，從而限制了熱效應(yīng)的發(fā)生。請(qǐng)注意，可飽和吸收器通常具有一些非飽和損耗，這通常會(huì)將耗散能量增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原則上不可避免的水平。

特別是一些較小的Q開(kāi)關(guān)激光器，以及一些具有較長(zhǎng)諧振腔的激光器，其中包含一個(gè)光學(xué)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(dǎo)致干凈的時(shí)間形狀和小的光學(xué)帶寬，通常受脈沖持續(xù)時(shí)間限制。其他激光器在多個(gè)諧振腔模式下振蕩，這會(huì)導(dǎo)致模式 跳動(dòng)效應(yīng)：輸出光功率被調(diào)制為諧振腔往返頻率整數(shù)倍的頻率。

光纖激光器也可以進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)調(diào)Q。然而，全光纖設(shè)備在性能方面相當(dāng)有限，而包含體光元件（例如聲光Q開(kāi)關(guān)）的Q開(kāi)關(guān)光纖激光器的魯棒性和功率不如體激光器。相對(duì)較小的模式面積（即使在使用大模式面積光纖時(shí)）引入了光纖非線(xiàn)性和激光誘導(dǎo)損壞的問(wèn)題，這限制了脈沖能量，尤其是可達(dá)到的峰值功率。另請(qǐng)注意，光纖激光器中通常非常高的激光增益對(duì)激光動(dòng)力學(xué)有重要影響; 特別是，它會(huì)導(dǎo)致形成復(fù)雜的時(shí)間子結(jié)構(gòu)。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(xiàn)性脈沖失真對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常是可以接受的。

主動(dòng)調(diào)Q光纖激光器的設(shè)置

設(shè)計(jì)問(wèn)題

根據(jù)Q開(kāi)關(guān)激光器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(biāo)、遇到的問(wèn)題和權(quán)衡：

對(duì)于短脈沖持續(xù)時(shí)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?yàn)樗鼈兛梢跃哂袠O短的諧振器，但可獲得的脈沖能量適中。緊湊型固態(tài)激光器可以實(shí)現(xiàn)短脈沖持續(xù)時(shí)間（幾納秒）與毫焦耳脈沖能量的結(jié)合，尤其是端泵浦版本，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩脑鲆妗?薄盤(pán)激光器允許非常高的脈沖能量，但由于其相對(duì)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(chǔ)。對(duì)于連續(xù)泵送，這意味著需要較長(zhǎng)的上能態(tài)壽命。這導(dǎo)致?lián)借O激光增益介質(zhì)（例如 Yb:YAG）與Nd:YAG相比具有優(yōu)勢(shì)，盡管它們通常具有較低的增益并因此產(chǎn)生更長(zhǎng)的脈沖。

實(shí)際上應(yīng)該避免過(guò)高的增益，因?yàn)樗鼤?huì)帶來(lái)通過(guò)ASE或寄生激光損失能量的風(fēng)險(xiǎn)。

脈沖重復(fù)率通常可以在一個(gè)大范圍內(nèi)變化，但是這不僅影響脈沖能量可以實(shí)現(xiàn)，還影響脈沖持續(xù)時(shí)間。

在高光強(qiáng)度下，激光引起的腔內(nèi)組件（如激光鏡）損壞可能是一個(gè)問(wèn)題。因此，不僅在激光晶體中而且在所有諧振腔鏡和 Q開(kāi)關(guān)中都需要具有足夠大的模式面積的諧振腔設(shè)計(jì)。特別是與較短的諧振器長(zhǎng)度相結(jié)合時(shí)，這可能難以實(shí)現(xiàn)。諧振器設(shè)計(jì)的數(shù)值優(yōu)化有時(shí)可以顯著提高性能值，同時(shí)提高穩(wěn)定性、易于對(duì)齊和使用壽命長(zhǎng)。

通過(guò)注入種子可以實(shí)現(xiàn)減小的發(fā)射線(xiàn)寬。

調(diào)Q激光器的應(yīng)用

調(diào)Q激光器具有廣泛的應(yīng)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(biāo)、激光圖案化

• 激光測(cè)距儀

• 用于3D成像的激光雷達(dá)

• 激光誘導(dǎo)擊穿光譜

• 醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如皮膚病學(xué)和紋身去除

• 非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換的泵浦裝置，例如脈沖光學(xué)參量振蕩器

• 熒光光譜

激光安全

即使對(duì)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(huì)引起嚴(yán)重的激光器安全問(wèn)題。在許多情況下，對(duì)眼睛的一次射擊將是眼睛看到的最后一件事。通過(guò)使用在人眼安全波長(zhǎng)下工作的Q開(kāi)關(guān)激光器，可以顯著降低此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)。