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技術前沿

從‘細水長流’到‘開閘泄洪’:激光調Q原理與應用

fun88网页下载 來源:光譜大偵(zhen) 探2025-09-08 我要評論(0 )   

前言調 Q 激光器是脈衝(chong) 激光器的一種類型(或對脈衝(chong) 激光器的一種改造形式),它能縮短輸出脈衝(chong) 寬度、提高峰值輸出功率,並增強脈衝(chong) 間輸出的穩定性。調Q激光如何實現?對...

前言
調 Q 激光器是脈衝激光器的一種類型(或對脈衝激光器的一種改造形式),它能縮短輸出脈衝寬度、提高峰值輸出功率,並增強脈衝間輸出的穩定性。


調Q激光如何實現?
對於(yu) 普通脈衝(chong) 激光器而言,泵浦源會(hui) 將激光工作物質中的激活原子激發至高能級。在這一過程中,幾乎在泵浦的同時,就會(hui) 有部分原子發生衰變,並在此過程中釋放出光子,這一現象被稱為(wei) 自發輻射。



當足夠多的原子處於(yu) 高能級(即實現 “粒子數反轉”),且其中一個(ge) 光子恰好沿特定方向發射 — 能夠在諧振腔的兩(liang) 個(ge) 反射鏡之間來回反射時,激光作用便會(hui) 啟動:該光子會(hui) 觸發其他原子發生類似的能級躍遷,促使更多光子釋放(即受激輻射)。然而,由此產(chan) 生的激光脈衝(chong) 寬度會(hui) 相對較寬,且不同脈衝(chong) 的形狀也存在隨機性。


調 Q 激光器的核心設計思路是:在泵浦脈衝(chong) 結束後、大部分原子都已被激發至高能級(粒子數反轉達到盡可能完全的狀態)之前,暫時抑製諧振腔的正常工作。其所謂的 “Q 值”(品質因數)會(hui) 通過 “失效” 其中一個(ge) 反射鏡的方式被降低。實現這一過程的方式有兩(liang) 種:


機械方式:直接旋轉反射鏡,或旋轉位於(yu) 反射鏡與(yu) 激光工作物質之間的棱鏡等光學元件。



電光方式:在類似位置采用泡克耳斯盒(一種由電信號高速控製的光學快門)等元件。



當諧振腔無法正常諧振(如反射鏡被遮擋或角度偏離)時,受激輻射便無法累積。此時仍會(hui) 存在自發輻射,但它對高能級原子的消耗非常微小。


在泵浦過程剛結束的瞬間,Q 值會(hui) 被迅速恢複,諧振腔重新恢複完整狀態(例如,反射鏡旋轉至與(yu) 光軸垂直的角度)。這一刻,由於(yu) 粒子數已接近完全反轉,激光作用會(hui) 立即啟動,每次都能產(chan) 生脈衝(chong) 寬度短、強度高且穩定性強的激光脈衝(chong) ,同時泵浦能量的利用效率也更高。其峰值光輸出功率遠高於(yu) 未采用調 Q 技術的激光器。


由於(yu) 調 Q 激光的脈衝(chong) 持續時間極短(通常以納秒、皮秒為(wei) 單位,甚至更短),即便是中等尺寸的激光器,也能產(chan) 生兆瓦級或吉瓦級的峰值功率。


對於(yu) 電機驅動式調 Q 裝置,會(hui) 使用傳(chuan) 感器在反射鏡或其他光學元件旋轉至正確位置的瞬間,觸發閃光燈(泵浦源)。而對於(yu) 克爾盒(另一種電光調 Q 元件)類型的裝置,則會(hui) 通過延遲電路,在閃光燈被觸發後的精確時間點打開光學快門。


調 Q 激光器通常為(wei) 固體(ti) 光泵浦型激光器(例如釹摻雜釔鋁石榴石激光器(Nd:YAG)、紅寶石激光器等),但該技術同樣可應用於(yu) 許多其他類型(並非全部)的激光器。


我們(men) 可以把它想象成一道 “水壩”:

  1. 建造水壩(儲(chu) 能):在普通的連續激光器中,激光介質(如晶體(ti) 、光纖)產(chan) 生的能量會(hui) 持續地以激光的形式釋放出來,功率不高。調Q技術則不同,它通過在激光器的諧振腔內(nei) 插入一個(ge) “開關(guan) ”(即Q開關(guan) ),在泵浦源(能量來源)工作時,先阻止激光的產(chan) 生。就像修建一座水壩,把水(能量)攔起來,讓水位(粒子數反轉)積累得非常高。

  2. 瞬間開閘(釋放):當能量在激光介質中儲(chu) 存到最大值時,瞬間打開“開關(guan) ”(Q開關(guan) )。此時,所有被儲(chu) 存的能量會(hui) 在極短的時間內(nei) (通常是納秒,即十億(yi) 分之一秒)以激光的形式雪崩式地噴湧而出。

  3. 形成巨脈衝(chong) (結果):這個(ge) 過程產(chan) 生的不再是溫和的連續激光,而是一個(ge) 能量極高、持續時間極短的激光脈衝(chong) ,即“巨脈衝(chong) ”。雖然這個(ge) 脈衝(chong) 的總能量可能並不巨大,但因為(wei) 其時間極短,所以峰值功率可以達到非常驚人的水平。 


注意事項 

調 Q 激光器的峰值功率極高,這類激光器可能屬於(yu) IV 類激光器(最高危險等級)!若您正在使用或嚐試維修此類激光器,務必采取極高的防護措施。


對於(yu) 部分運行在功率極限附近的激光器,若諧振腔未完全對準,在調 Q 模式下嚐試以接近滿功率運行時,可能會(hui) 損壞光學元件。因此,應在激光器自由運行模式(非調 Q 模式,即反射鏡已調整至垂直角度或快門處於(yu) 打開狀態)下進行測試和對準操作。在啟用調 Q 模式前,需使用電荷耦合器件(CCD)或其他光束輪廓分析技術,將激光束調整為(wei) 完全對稱的狀態。


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應用

非常適合光聲顯微鏡、打標、激光雷達和 LIBS等應用。

  • 355 、532 和 1064 nm,平均功率高達 1 W

  • 高達 500 μJ 的標稱脈衝(chong) 能量

  • 2-5 ns 脈衝(chong) 寬度

  • >7 kHz 脈衝(chong) 重複率自由運行

  • <1 kHz 單脈衝(chong) 可觸發

  • 超堅固、密封封裝,可靠性久經考驗

  • 12個(ge) 月保修

  • 完全集成的控製電子設備


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