調Q是一種通過調製腔內(nei) 損耗和激光諧振腔的Q因子，從(cong) 激光器中獲得能量短（但不是超短）光脈衝(chong) 的技術。該技術主要用於(yu) 固體(ti) 激光器產(chan) 生高能量、高峰值功率的納秒脈衝(chong) 。

Q開關(guan) 脈衝(chong) 的產(chan) 生可以描述如下：

最初，諧振器損耗保持在高水平。由於(yu) 此時無法產(chan) 生激光，泵浦機構饋入增益介質的能量會(hui) 在那裏積聚。存儲(chu) 能量的數量通常僅(jin) 受自發發射（特別是對於(yu) 連續泵浦）的限製，在其他情況下（具有足夠強的增益）受到激光或強ASE 的開始，如果不僅(jin) 僅(jin) 是可用的泵浦能量。儲(chu) 存的能量可以是飽和能量的倍數。然後，損耗突然（通過有源或無源方式）降低到一個(ge) 很小的值，從(cong) 而激光輻射的功率在激光諧振腔中非常迅速地增加。這個(ge) 過程通常從(cong) 自發發射的噪聲開始，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(nei) 功率達到增益介質的飽和能量的數量級，增益開始飽和。當增益等於(yu) 剩餘(yu) （低）諧振器損耗時達到脈衝(chong) 峰值。當時存在的大腔內(nei) 功率導致在功率衰減期間存儲(chu) 的能量進一步消耗。在許多情況下，脈衝(chong) 最大值之後提取的能量與(yu) 脈衝(chong) 最大值之前的能量相似。

Q開關(guan) 實現的脈衝(chong) 持續時間通常在納秒範圍內(nei) （對應於(yu) 幾次諧振器往返），並且通常遠高於(yu) 諧振器往返時間。所產(chan) 生脈衝(chong) 的能量通常高於(yu) 增益介質的飽和能量，即使對於(yu) 小型激光器也可以在毫焦耳範圍內(nei) 。的峰值功率可以比其在可實現的功率更高的訂單連續波操作。即使對於(yu) 中等尺寸和光束適度聚焦的激光器，峰值強度也足以在空氣中進行光擊穿。

在大多數情況下，Q開關(guan) 激光器通過重複Q開關(guan) 產(chan) 生規則的脈衝(chong) 序列。的脈衝(chong) 重複率典型地在範圍為(wei) 1-100千赫，有時更高。被動調Q微芯片激光器的脈衝(chong) 持續時間遠低於(yu) 1 ns，重複率高達幾兆赫茲(zi) ，而大型（通常是放大的）激光係統可以提供具有數千焦耳能量和持續時間在納秒範圍內(nei) 的脈衝(chong) 。

應用調Q技術的激光器稱為(wei) 調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Q

對於(yu) 有源Q開關(guan) ，損耗由有源控製元件（有源Q開關(guan) ）調製，通常是聲光或電光調製器。在這裏，脈衝(chong) 是在電觸發信號到達後不久形成的。還有機械Q開關(guan) ，如旋轉鏡，用作激光諧振器的端鏡。在任何情況下，獲得的脈衝(chong) 能量和脈衝(chong) 持續時間取決(jue) 於(yu) 存儲(chu) 在增益介質中的能量，即泵浦功率和脈衝(chong) 重複率。

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

有趣的是，調製器的切換時間也並不需要是相媲美的脈衝(chong) 持續時間-它可以比這更長的時間，因為(wei) 它需要許多諧振器往返於(yu) 要形成一個(ge) 強烈的脈衝(chong) 。但是，如果它太長，則可能會(hui) 導致雙脈衝(chong) 或某些不穩定性。

Q開關(guan) 的光束偏轉角必須足夠大，以便衍射光束真正離開諧振器。在某些情況下，這會(hui) 導致對Q開關(guan) 的高驅動頻率的需求——例如 80 MHz，而 40 MHz 對其他激光器就足夠了。關(guan) 鍵情況是Q開關(guan) 內(nei) 光束發散較大的情況。

對於(yu) 許多應用，Q開關(guan) 脈衝(chong) 以周期性方式生成，即具有給定的脈衝(chong) 重複率。Q開關(guan) 驅動器可能包含一個(ge) 振蕩器（或數字設備），用於(yu) 周期性地觸發脈衝(chong) 生成，或從(cong) 外部設備接收周期性觸發信號（通常為(wei) TTL 格式）。在某些情況下，TTL 輸入僅(jin) 向驅動器指示是否應生成周期性脈衝(chong) 序列（時間由驅動器本身決(jue) 定）。一些驅動器具有模擬輸入，允許連續控製Q開關(guan) 傳(chuan) 輸。

如何避免超強首脈衝(chong) 問題？

在某些激光應用中，例如激光打標，必須在特定時間間隔內(nei) 關(guan) 閉調Q脈衝(chong) 序列，同時繼續泵浦激光增益介質。這導致增益介質中儲(chu) 存能量的積累更強（與(yu) 周期性脈衝(chong) 產(chan) 生的情況相比）。因此，如果再次啟用脈衝(chong) 生成，特別是第一個(ge) 脈衝(chong) 可能需要比穩態脈衝(chong) 高得多的能量。因為(wei) 脈衝(chong) 持續時間也減少了，所以峰值功率上升得更多。這些因素可能導致激光誘導損傷(shang) 激光組件或任何外部物體(ti) ，它們(men) 可能會(hui) 幹擾使用脈衝(chong) 的過程。為(wei) 了避免這些問題，可以在沒有脈衝(chong) 產(chan) 生的時候降低泵浦功率，或者采取措施在前幾個(ge) 脈衝(chong) 中引入額外的損耗。一種常見的技術是使用有源Q開關(guan) ：而不是完全關(guan) 閉以生成脈衝(chong) ，它隻是降低了功率，從(cong) 而保留了一些相當大的傳(chuan) 輸損耗，從(cong) 而相應地降低了脈衝(chong) 能量。（一些Q開關(guan) 驅動器提供這樣的功能。）然後多餘(yu) 的能量進入衍射光束，可以安全地用光束轉儲(chu) 器處理. 另一種獨特的方法是在下一個(ge) 脈衝(chong) 序列開始之前通過低功率激光降低存儲(chu) 的能量；這可以通過緩慢增加Q開關(guan) 傳(chuan) 輸來實現。

有源調Q激光器的脈衝(chong) 重複率可以通過調製器進行控製。如果泵浦功率保持恒定，較高的重複率通常會(hui) 導致較低的脈衝(chong) 能量。同時，隨著初始激光增益變低，脈衝(chong) 變得更長。對於(yu) 非常高的重複率，如果增益不能及時恢複，脈衝(chong) 串中可能會(hui) 丟(diu) 失一些脈衝(chong) 。對於(yu) 非常低的重複率，可以獲得相當短的高能量脈衝(chong) ，但是一旦脈衝(chong) 周期超過上能態壽命，自發發射造成的損失增加會(hui) 限製可能的脈衝(chong) 能量。

產(chan) 生脈衝(chong) 的持續時間取決(jue) 於(yu) 諧振器往返時間和初始往返淨增益；高初始淨增益會(hui) 導致快速脈衝(chong) 建立、更高的能量提取，並且通常還會(hui) 導致脈衝(chong) 最大值後功率衰減更快。如果激光增益和/或諧振器損耗低，脈衝(chong) 持續時間至少是諧振器往返時間的數量級，並且通常比該時間長得多。

特別是對於(yu) 高脈衝(chong) 重複率，可能很難獲得非常短的脈衝(chong) ，因為(wei) 較低的脈衝(chong) 能量會(hui) 導致淨增益的時間調製較弱。這個(ge) 問題可以通過使用空腔傾(qing) 倒的方法來解決(jue) 。脈衝(chong) 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(chu) 存的能量被轉換成循環脈衝(chong) ，能量就會(hui) 通過腔體(ti) 傾(qing) 卸器突然釋放，這是一種快速光開關(guan) 。以這種方式，諧振器中的光能可以在一個(ge) 諧振器往返時間內(nei) 提取，而與(yu) 脈衝(chong) 建立所需的時間無關(guan) 。

被動調Q

對於(yu) 無源Q開關(guan) ，損耗會(hui) 通過飽和吸收器自動調製。在這裏，一旦存儲(chu) 在增益介質中的能量（以及增益）達到足夠高的水平，就會(hui) 形成脈衝(chong) 。在許多情況下，脈衝(chong) 能量和持續時間是固定的，泵浦功率的變化隻影響脈衝(chong) 重複率。

被動調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後不久，就會(hui) 發出一個(ge) 短脈衝(chong) 。一旦吸收器開始飽和，功率就會(hui) 迅速上升，直到增益飽和到諧振器損耗的水平（此處：10%）。

用於(yu) 1-μm YAG 激光器無源Q開關(guan) 的常用飽和吸收材料是 Cr 4+ :YAG。對於(yu) 1.5μm鉺激光器，有Co 2+ :MgAl 2 O 4、Co 2+ :ZnSe等鈷摻雜晶體(ti) ，以及摻雜PbS量子點的玻璃。V 3+ :YAG 晶體(ti) 適用於(yu) 1.3-μm 區域。 半導體(ti) 可飽和吸收鏡可應用於(yu) 各種波長。

理想情況下，可飽和吸收器的恢複時間長於(yu) 脈衝(chong) 持續時間，從(cong) 而避免額外的不必要的能量損失。然而，吸收器應該足夠快，以防止增益恢複時過早產(chan) 生激光。通常，介於(yu) 脈衝(chong) 持續時間和增益介質的上能態壽命之間的恢複時間是理想的。

原則上，可飽和吸收器可能僅(jin) 吸收產(chan) 生脈衝(chong) 能量的一小部分，即吸收器不一定會(hui) 降低激光器的功率效率。如果吸收體(ti) 的飽和能量遠低於(yu) 激光增益介質的飽和能量並且吸收體(ti) 表現出可忽略不計的非飽和損耗，那麽(me) 這至少是可能的。然而，在實際吸波器中經常會(hui) 遇到顯著的非飽和損耗，而損傷(shang) 閾值等實際限製可能無法通過使用強聚焦來大幅降低吸波器的飽和能量。因此，功率效率在實踐中經常顯著降低。

脈衝(chong) 持續時間取決(jue) 於(yu) 諧振器往返時間和淨增益的時間調製強度。後者主要由所使用的可飽和吸收體(ti) 的調製深度決(jue) 定。對於(yu) 更高的調製深度，通常會(hui) 獲得持續時間更短、能量更高的脈衝(chong) ；這兩(liang) 個(ge) 因素都會(hui) 增加峰值功率。由於(yu) 能量提取更強，補充能量和產(chan) 生脈衝(chong) 的時間也會(hui) 增加。

泵浦功率的變化通常會(hui) 顯著影響脈衝(chong) 重複率，但對持續時間、能量和峰值功率等脈衝(chong) 參數影響不大。

與(yu) 有源Q開關(guan) 相比，無源Q開關(guan) 簡單且具有成本效益（無需調製器及其電子設備），並且適用於(yu) 非常高的脈衝(chong) 重複率。然而，脈衝(chong) 能量通常較低。此外，脈衝(chong) 的外部觸發是不可能的（除了來自另一個(ge) 源的光脈衝(chong) ），而且脈衝(chong) 能量和持續時間通常或多或少與(yu) 泵浦功率無關(guan) ，這也可能是一個(ge) 缺點，泵浦功率僅(jin) 決(jue) 定脈衝(chong) 重複率。

適用於(yu) Q開關(guan) 的激光器

大多數摻雜絕緣體(ti) 固態激光器非常適合Q開關(guan) ，因為(wei) 它們(men) 的增益介質具有較長的上能態壽命和高飽和能量，因此能夠存儲(chu) 大量能量。其基礎是它們(men) 的激光躍遷是具有相應低躍遷截麵的弱禁止躍遷。隻有這樣才能實現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，因為(wei) 它們(men) 更大的模式麵積允許存儲(chu) 更多的能量，而它們(men) 更短的諧振器允許更短的脈衝(chong) 。

大多數氣體(ti) 激光器不適合Q開關(guan) ，因為(wei) 其增益介質中的能量存儲(chu) 不足。少數例外之一是CO 2激光器。

半導體(ti) 激光器，例如激光二極管，也不適合Q開關(guan) 。它們(men) 可用於(yu) 產(chan) 生相當短的脈衝(chong) ，例如增益切換，但隻能使用相當低的脈衝(chong) 能量。

各種技術問題

對於(yu) 有源和無源Q開關(guan) ，更高的脈衝(chong) 重複率通常意味著更長的脈衝(chong) 。這是因為(wei) 降低的脈衝(chong) 能量導致淨增益的調製較弱，從(cong) 而導致光功率的上升和衰減較慢。當有源調Q激光器的脈衝(chong) 重複率低於(yu) 倒數上能態壽命時，會(hui) 達到最大脈衝(chong) 能量，但由於(yu) 熒光損失增加，平均功率降低。

泵送不必以連續波的方式發生；也可以使用帶閃光燈或準連續 激光二極管的脈衝(chong) 泵浦，在Q開關(guan) 打開前不久發射。這通過自發發射減少了能量損失，從(cong) 而允許使用具有較短上態壽命的增益介質。

在大多數情況下，Q開關(guan) 激光器中的脈衝(chong) 是通過在許多諧振腔往返中放大自發發射的噪聲而產(chan) 生的。因此，後續脈衝(chong) 之間通常沒有相位相關(guan) 性，並且激發的諧振腔模式的模式可以是隨機的。此外，多種模式的激勵會(hui) 產(chan) 生拍音，明顯表現為(wei) Q開關(guan) 脈衝(chong) 包絡上的快速調製。然而，在某些情況下，Q開關(guan) 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，避免拍音並降低整體(ti) 噪聲。也可以在低功率水平的預激激光中在激光器本身中產(chan) 生這樣的種子。

Q開關(guan) 的非線性動力學有時會(hui) 導致意想不到的現象，例如雙脈衝(chong) 的產(chan) 生和/或某些不穩定性。脈衝(chong) 生成的數值模擬對於(yu) 理解此類影響和確定正確的治療方法非常有幫助。

請注意，即使對於(yu) 平均輸出功率相當小的激光器，通過Q開關(guan) 獲得的高脈衝(chong) 能量和峰值功率也會(hui) 引起嚴(yan) 重的激光器安全問題。此外，光強度可以變得足夠高以破壞腔內(nei) 光學元件，例如激光反射鏡。因此，可能有必要使用諧振器設計，避免任何強聚焦光束在光學組件上——這對於(yu) 具有大模式麵積的短激光諧振器（如短脈衝(chong) 所需要的）而言尤其具有挑戰性。此外，調Q激光器必須保持非常幹淨，以避免灰塵顆粒燃燒。