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技術(shù)前沿

從‘細(xì)水長(zhǎng)流’到‘開(kāi)閘泄洪’:激光調(diào)Q原理與應(yīng)用

激光制造網(wǎng) 來(lái)源:光譜大偵探2025-09-08 我要評(píng)論(0 )   

前言調(diào) Q 激光器是脈沖激光器的一種類型(或?qū)γ}沖激光器的一種改造形式),它能縮短輸出脈沖寬度、提高峰值輸出功率,并增強(qiáng)脈沖間輸出的穩(wěn)定性。調(diào)Q激光如何實(shí)現(xiàn)?對(duì)...

前言
調(diào) Q 激光器是脈沖激光器的一種類型(或?qū)γ}沖激光器的一種改造形式),它能縮短輸出脈沖寬度、提高峰值輸出功率,并增強(qiáng)脈沖間輸出的穩(wěn)定性。


調(diào)Q激光如何實(shí)現(xiàn)?
對(duì)于普通脈沖激光器而言,泵浦源會(huì)將激光工作物質(zhì)中的激活原子激發(fā)至高能級(jí)。在這一過(guò)程中,幾乎在泵浦的同時(shí),就會(huì)有部分原子發(fā)生衰變,并在此過(guò)程中釋放出光子,這一現(xiàn)象被稱為自發(fā)輻射。



當(dāng)足夠多的原子處于高能級(jí)(即實(shí)現(xiàn) “粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”),且其中一個(gè)光子恰好沿特定方向發(fā)射 — 能夠在諧振腔的兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射時(shí),激光作用便會(huì)啟動(dòng):該光子會(huì)觸發(fā)其他原子發(fā)生類似的能級(jí)躍遷,促使更多光子釋放(即受激輻射)。然而,由此產(chǎn)生的激光脈沖寬度會(huì)相對(duì)較寬,且不同脈沖的形狀也存在隨機(jī)性。


調(diào) Q 激光器的核心設(shè)計(jì)思路是:在泵浦脈沖結(jié)束后、大部分原子都已被激發(fā)至高能級(jí)(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到盡可能完全的狀態(tài))之前,暫時(shí)抑制諧振腔的正常工作。其所謂的 “Q 值”(品質(zhì)因數(shù))會(huì)通過(guò) “失效” 其中一個(gè)反射鏡的方式被降低。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的方式有兩種:


機(jī)械方式:直接旋轉(zhuǎn)反射鏡,或旋轉(zhuǎn)位于反射鏡與激光工作物質(zhì)之間的棱鏡等光學(xué)元件。



電光方式:在類似位置采用泡克耳斯盒(一種由電信號(hào)高速控制的光學(xué)快門)等元件。



當(dāng)諧振腔無(wú)法正常諧振(如反射鏡被遮擋或角度偏離)時(shí),受激輻射便無(wú)法累積。此時(shí)仍會(huì)存在自發(fā)輻射,但它對(duì)高能級(jí)原子的消耗非常微小。


在泵浦過(guò)程剛結(jié)束的瞬間,Q 值會(huì)被迅速恢復(fù),諧振腔重新恢復(fù)完整狀態(tài)(例如,反射鏡旋轉(zhuǎn)至與光軸垂直的角度)。這一刻,由于粒子數(shù)已接近完全反轉(zhuǎn),激光作用會(huì)立即啟動(dòng),每次都能產(chǎn)生脈沖寬度短、強(qiáng)度高且穩(wěn)定性強(qiáng)的激光脈沖,同時(shí)泵浦能量的利用效率也更高。其峰值光輸出功率遠(yuǎn)高于未采用調(diào) Q 技術(shù)的激光器。


由于調(diào) Q 激光的脈沖持續(xù)時(shí)間極短(通常以納秒、皮秒為單位,甚至更短),即便是中等尺寸的激光器,也能產(chǎn)生兆瓦級(jí)或吉瓦級(jí)的峰值功率。


對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)式調(diào) Q 裝置,會(huì)使用傳感器在反射鏡或其他光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)至正確位置的瞬間,觸發(fā)閃光燈(泵浦源)。而對(duì)于克爾盒(另一種電光調(diào) Q 元件)類型的裝置,則會(huì)通過(guò)延遲電路,在閃光燈被觸發(fā)后的精確時(shí)間點(diǎn)打開(kāi)光學(xué)快門。


調(diào) Q 激光器通常為固體光泵浦型激光器(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(shù)同樣可應(yīng)用于許多其他類型(并非全部)的激光器。


我們可以把它想象成一道 “水壩”:

  1. 建造水壩(儲(chǔ)能):在普通的連續(xù)激光器中,激光介質(zhì)(如晶體、光纖)產(chǎn)生的能量會(huì)持續(xù)地以激光的形式釋放出來(lái),功率不高。調(diào)Q技術(shù)則不同,它通過(guò)在激光器的諧振腔內(nèi)插入一個(gè)“開(kāi)關(guān)”(即Q開(kāi)關(guān)),在泵浦源(能量來(lái)源)工作時(shí),先阻止激光的產(chǎn)生。就像修建一座水壩,把水(能量)攔起來(lái),讓水位(粒子數(shù)反轉(zhuǎn))積累得非常高。

  2. 瞬間開(kāi)閘(釋放):當(dāng)能量在激光介質(zhì)中儲(chǔ)存到最大值時(shí),瞬間打開(kāi)“開(kāi)關(guān)”(Q開(kāi)關(guān))。此時(shí),所有被儲(chǔ)存的能量會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)(通常是納秒,即十億分之一秒)以激光的形式雪崩式地噴涌而出。

  3. 形成巨脈沖(結(jié)果):這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的不再是溫和的連續(xù)激光,而是一個(gè)能量極高、持續(xù)時(shí)間極短的激光脈沖,即“巨脈沖”。雖然這個(gè)脈沖的總能量可能并不巨大,但因?yàn)槠鋾r(shí)間極短,所以峰值功率可以達(dá)到非常驚人的水平。 


注意事項(xiàng) 

調(diào) Q 激光器的峰值功率極高,這類激光器可能屬于IV 類激光器(最高危險(xiǎn)等級(jí))!若您正在使用或嘗試維修此類激光器,務(wù)必采取極高的防護(hù)措施。


對(duì)于部分運(yùn)行在功率極限附近的激光器,若諧振腔未完全對(duì)準(zhǔn),在調(diào) Q 模式下嘗試以接近滿功率運(yùn)行時(shí),可能會(huì)損壞光學(xué)元件。因此,應(yīng)在激光器自由運(yùn)行模式(非調(diào) Q 模式,即反射鏡已調(diào)整至垂直角度或快門處于打開(kāi)狀態(tài))下進(jìn)行測(cè)試和對(duì)準(zhǔn)操作。在啟用調(diào) 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(shù),將激光束調(diào)整為完全對(duì)稱的狀態(tài)。


激光器推薦
Cobolt Tor? 系列激光器是高性能 Q 開(kāi)關(guān)二極管泵浦激光器。這些激光器的復(fù)雜腔體設(shè)計(jì)在高質(zhì)量的 TEM00 光束中提供了高脈沖重復(fù)率、短脈沖長(zhǎng)度和卓越的脈沖間穩(wěn)定性的獨(dú)特組合。


應(yīng)用

非常適合光聲顯微鏡、打標(biāo)、激光雷達(dá)和 LIBS等應(yīng)用。

  • 355 、532 和 1064 nm,平均功率高達(dá) 1 W

  • 高達(dá) 500 μJ 的標(biāo)稱脈沖能量

  • 2-5 ns 脈沖寬度

  • >7 kHz 脈沖重復(fù)率自由運(yùn)行

  • <1 kHz 單脈沖可觸發(fā)

  • 超堅(jiān)固、密封封裝,可靠性久經(jīng)考驗(yàn)

  • 12個(gè)月保修

  • 完全集成的控制電子設(shè)備


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