什么是调Q激光器

 

（本文转自Thorlabs）调Q激光器可产生高强短脉冲激光。对于高脉冲能量，增益介质必须能够存储足够高的能量，这就要求其具有长上能级寿命、高密度激光离子、不太高的增益效率；如果增益效率太高，自发辐射将限制能量存储，而且初始损耗必须很高才能防止激光提前启动。上能级寿命在纳秒级的气体、半导体和染料激光器不适合调Q工作。

固体激光器是最常见也是从技术角度而言最重要的调Q激光器类型，但是光纤激光器也能以调Q工作，并可通过光纤放大器提高平均功率，而微片激光器则以极短的腔长提供更窄的脉宽。

主动和被动调Q

主动调Q激光器通过调制器主动调制腔内损耗。比如在腔内插入声光调制器，施加RF功率时使部分光束通过衍射溢出腔外，激光介质中存储高能量后忽然关闭RF功率形成并输出激光脉冲。

 

主动调Q激光器基本结构

被动调Q激光器通过可饱和吸收体调制腔内损耗。对于可饱和吸收体，低强度光被吸收，高强度光透射，因此可通过腔内光强被动调制损耗。

 

被动调Q激光器基本结构

 

可饱和吸收体

低强度低透、高强度高透

用于调Q的可饱和吸收体一般是掺杂过渡金属离子的晶体或玻璃。比如，Cr4+:YAG晶体常用于1.064 μm Nd:YAG激光器(包括微片激光器)，V3+:YAG晶体则适合1.3 μm激光器。调制深度取决于掺杂浓度和晶体长度，而饱和能量可通过吸收体中的模场调节。可饱和吸收离子也可掺杂在光纤中。

半导体可饱和吸收反射镜(SESAM)特别适合微片激光器，它几乎不增加腔长，所以脉宽可以非常窄，而且性能参数还可通过设计和材料优化。另外，可饱和吸收体还可以是掺量子点(比如硫化铅)的玻璃、染料溶液甚至气体。

调Q固体激光器

固体激光介质一般掺杂三价稀土离子，比如钕、镱和铒，也有少数掺杂钛和铬等过渡金属离子。下表列出了一些最常用的固体调Q增益介质及其主要特性。

激光介质

特性

Nd3+:YAG

1064 nm标准增益介质

适合高功率和高脉冲能量

Nd3+:YVO4

更高的增益效率

适合更短脉宽和更高重频

Nd3+:YLF

1047或1053 nm

增益效率较低

热透镜效应弱

适合高脉冲能量

Yb3+:YAG

1030或1050 nm

适合高脉冲能量

Er3+:YAG

1.65或2.94 μm

适合高脉冲能量

小型主动调Q固体激光器通过1到20 W激光二极管连续泵浦可产生高达10 mJ量级的脉冲能量(比如1 kHz重频和10 W平均功率)。典型脉宽在几到几百纳秒，对于100 ns脉宽，10 mJ脉冲能量对应约90 kW峰值功率。被动调Q激光器的脉冲能量一般更低。

对于更高能量但低重频激光(所以平均功率一般)，可以使用脉冲泵浦，比如准连续二极管或闪光灯泵浦。使用不是很大的闪光灯泵装置可产生数焦耳的脉冲能量。

对于高平均功率和中高重频，一般使用高功率激光二极管连续泵浦。比如，碟片式Yb:YAG激光器能以较长脉宽(比如1 μs)输出数百瓦平均功率。掺钕板条激光器可产生更短的脉宽，并且输出高功率、高质量光束。提高功率的另一种方法是使用主振荡功率放大器(MOPA)结构。

调Q微片激光器

微片激光器具有非常短的腔，特别是通过半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动调Q工作。因为光场几乎不穿透SESAM，所以腔长基本只取决于晶体厚度。下图所示为SESAM被动调Q微片激光器的基本结构。

 

如果晶体具有高泵浦吸收率和高增益，比如Nd:YVO4晶体，可产生远小于100 ps的脉宽，但是脉冲能量一般无法超过1 μJ太多。这种激光器的困难之一是制备既具有高调制深度、饱和能量也不太低的SESAM组件。饱和能量太高可能造成SESAM损伤。

微片激光器也可通过小型电光调制器以主动调Q工作，但由于腔长增加，脉宽也因此变长。微片激光器可实现非常高的脉冲重频，比如被动调Q可达到数MHz级别，但是提高重频时脉宽也会更长。

短腔也更容易实现单模输出。尽管脉冲能量低，但由于脉宽窄，所以峰值功率较高，足够实现高效的非线性频率转换。所以，微片激光器能以很紧凑的系统提供可见光、紫外或中红外输出。

光纤激光器

光纤激光器也能主动或被动调Q工作，但是实施有所局限：

适合全光纤器件的调制器选择有限，而且主要用于很小模场的单模光纤，因此非线性效应、光纤损伤和放大自发辐射(ASE)非常限制性能。
使用包层泵浦大模场光纤可显著提高能量(比如1 mJ以上)，但是此类系统需要在腔内使用块体光学组件，这样将失去全光纤的技术优势，而且性能无法达到固体激光水平。

 

下表总结了调Q光纤激光器的一些发展进程，数据来源Fiber Lasers (CRC出版社，2016年版)。

但是，通过高功率光纤放大器可放大脉冲，提高平均功率，即使脉冲能量一般。放大器中可能存在一定的非线性脉冲畸变，不过在其应用中也可以接受。

调Q激光器应用

材料加工：切割、钻孔、打标、光刻图案
测距、激光雷达(LIDAR)
激光诱导击穿光谱学(LIBS)
医学应用：皮肤学、洗纹身
非线性频率转换泵浦源
荧光光谱学

 

来源：长三角激光联盟