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。由于此時無法產(chǎn)生激光，泵浦機(jī)構(gòu)饋入增益介質(zhì)的能量會在那里積聚。存儲能量的數(shù)量通常僅受自發(fā)發(fā)射（特別是對于連續(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，增益開始飽和。當(dāng)增益等于剩余（低）諧振器損耗時達(dá)到脈沖峰值。當(dāng)時存在的大腔內(nèi)功率導(dǎo)致在功率衰減期間存儲的能量進(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)時間通常在納秒范圍內(nèi)（對應(yīng)于幾次諧振器往返），并且通常遠(yuǎn)高于諧振器往返時間。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，有時更高。被動調(diào)Q微芯片激光器的脈沖持續(xù)時間遠(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：

主動調(diào)Q

對于有源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)時間取決于存儲在增益介質(zhì)中的能量，即泵浦功率和脈沖重復(fù)率。

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

有趣的是，調(diào)制器的切換時間也并不需要是相媲美的脈沖持續(xù)時間-它可以比這更長的時間，因?yàn)樗枰S多諧振器往返于要形成一個強(qiáng)烈的脈沖。但是，如果它太長，則可能會導(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，這會導(dǎo)致對Q開關(guān)的高驅(qū)動頻率的需求——例如 80 MHz，而 40 MHz 對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)動器可能包含一個振蕩器（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（通常為 TTL 格式）。在某些情況下，TTL 輸入僅向驅(qū)動器指示是否應(yīng)生成周期性脈沖序列（時間由驅(qū)動器本身決定）。一些驅(qū)動器具有模擬輸入，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)，必須在特定時間間隔內(nèi)關(guān)閉調(diào)Q脈沖序列，同時繼續(xù)泵浦激光增益介質(zhì)。這導(dǎo)致增益介質(zhì)中儲存能量的積累更強(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)生的時候降低泵浦功率，或者采取措施在前幾個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)儲器處理. 另一種獨(dú)特的方法是在下一個脈沖序列開始之前通過低功率激光降低存儲的能量；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)率通常會導(dǎo)致較低的脈沖能量。同時，隨著初始激光增益變低，脈沖變得更長。對于非常高的重復(fù)率，如果增益不能及時恢復(fù)，脈沖串中可能會丟失一些脈沖。對于非常低的重復(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限制可能的脈沖能量。

產(chǎn)生脈沖的持續(xù)時間取決于諧振器往返時間和初始往返凈增益；高初始凈增益會導(dǎo)致快速脈沖建立、更高的能量提取，并且通常還會導(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)時間至少是諧振器往返時間的數(shù)量級，并且通常比該時間長得多。

特別是對于高脈沖重復(fù)率，可能很難獲得非常短的脈沖，因?yàn)檩^低的脈沖能量會導(dǎo)致凈增益的時間調(diào)制較弱。這個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。一旦大部分儲存的能量被轉(zhuǎn)換成循環(huán)脈沖，能量就會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諧振器往返時間內(nèi)提取，而與脈沖建立所需的時間無關(guān)。

被動調(diào)Q

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

被動調(diào)Q激光器中增益和損耗的時間演變。在激光增益超過諧振腔損耗后不久，就會發(fā)出一個短脈沖。一旦吸收器開始飽和，功率就會迅速上升，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。

理想情況下，可飽和吸收器的恢復(fù)時間長于脈沖持續(xù)時間，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)時過早產(chǎn)生激光。通常，介于脈沖持續(xù)時間和增益介質(zhì)的上能態(tài)壽命之間的恢復(fù)時間是理想的。

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)時間取決于諧振器往返時間和凈增益的時間調(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。對于更高的調(diào)制深度，通常會獲得持續(xù)時間更短、能量更高的脈沖；這兩個因素都會增加峰值功率。由于能量提取更強(qiáng)，補(bǔ)充能量和產(chǎn)生脈沖的時間也會增加。

泵浦功率的變化通常會顯著影響脈沖重復(fù)率，但對持續(xù)時間、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（除了來自另一個源的光脈沖），而且脈沖能量和持續(xù)時間通?；蚨嗷蛏倥c泵浦功率無關(guān)，這也可能是一個缺點(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)具有較長的上能態(tài)壽命和高飽和能量，因此能夠存儲大量能量。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)上激光能級的長輻射壽命。

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，會達(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，多種模式的激勵會產(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)的非線性動力學(xué)有時會導(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)值模擬對于理解此類影響和確定正確的治療方法非常有幫助。

請注意，即使對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。